Por qué el núcleo de hierro de la Tierra es sólido aunque hace más calor que la superficie del sol

Imagen: Dominio Público.

Aunque el núcleo rico en hierro de la Tierra está sujeto a una temperatura vertiginosa de más de 5427 C (9800 F), se mantiene sólido. Esto siempre ha sido un misterio para los geólogos y geofísicos, pero una investigación novedosa podría haber resuelto finalmente el debate. Según físicos suecos del Instituto Real de Tecnología KTH, el hierro dentro del núcleo permanece cristalizado porque exhibe un patrón de difusión atómica.

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Quizás se pregunte cómo sabemos que el núcleo de la Tierra es sólido en primer lugar. Bueno, algunas personas inteligentes se dieron cuenta hace mucho tiempo de que podían usar la física acústica para inferir las propiedades de los objetos oscurecidos por 6353 kilómetros de corteza, manto y núcleo exterior. En un fluido, como un gas o un líquido, puede obtener ondas de corte cuando una onda de presión golpea una superficie. Mientras que la oscilación de una onda de presión siempre tiene la misma dirección, una onda de corte es como una onda en una cuerda (está en ángulo recto con la dirección de propagación de la onda). Cuando las ondas creadas por los terremotos golpean el núcleo externo líquido y luego viajan a través del núcleo interno, los científicos registran una onda adicional que se dispara en ángulo recto y que solo puede explicarse como una onda de corte. La única explicación es que el núcleo debe ser sólido.

Este núcleo interno sólido, que es casi del tamaño de la luna, está hecho principalmente de hierro cristalizado. Al ser un metal, la estructura de cristal atómico del hierro se empaqueta a temperatura y presión ambiente en una fase cúbica centrada en el cuerpo (BCC), una arquitectura con ocho puntos de esquina y un punto central. A presiones extremadamente altas, la estructura cristalina se transforma en formas hexagonales de 12 puntos conocidas como fase compacta (HCP). Al ver cómo el núcleo de la Tierra está sujeto a presiones 3,5 millones de veces más altas que la presión atmosférica, sin importar las temperaturas de más de 5000 grados K ​​más altas, sería sensato asumir una fase líquida HCP. Pero la evidencia apunta de otra manera.

Crédito: Facultad de Física.

Usando una supercomputadora, Anatoly Belonoshko, investigador del Departamento de Física de KTH, y sus colegas, explicaron por primera vez lo que está sucediendo. En resumen, las características del hierro BCC que alguna vez se pensó que lo volvían inestable a alta presión en realidad causan el efecto opuesto: hace que la fase cristalina BCC sea aún más estable.

Bajo condiciones en el núcleo de la Tierra, el hierro BCC exhibe un patrón de difusión atómica nunca antes observado, dice Belonoshko.

Parece que los datos experimentales que confirman la estabilidad del hierro BCC en el Núcleo estaban frente a nosotros, simplemente no sabíamos qué significaba eso realmente, agregó, en alusión a las observaciones recopiladas hace tres años en el Laboratorio Nacional Livermore Lawrence en California.

A alta presión pero baja temperatura, la fase BCC es inestable ya que los planos cristalinos se deslizan fuera de la estructura cúbica. Sin embargo, el análisis de las muestras computacionales sugiere que a altas temperaturas, estas estructuras se estabilizan de manera muy similar a las cartas en una baraja.

El deslizamiento de estos aviones es un poco como barajar una baraja de cartas, dice Belonoshko. Aunque las cartas se colocan en diferentes posiciones, la baraja sigue siendo una baraja. Asimismo, el hierro BCC conserva su estructura cúbica. La fase BCC se rige por el lema: Lo que no me mata me hace más fuerte. La inestabilidad mata la fase BCC a baja temperatura, pero hace que la fase BCC sea estable a alta temperatura.

Los datos también revelaron la composición más precisa del núcleo interno hasta la fecha: 96 por ciento de hierro, el resto níquel y posiblemente elementos ligeros.

Belonoshko también dijo que la mezcla o difusión de los átomos también puede explicar otro misterio del núcleo interno: por qué las ondas sísmicas viajan más rápido entre los polos de la Tierra que a través del ecuador. En un material anisotrópico, sus propiedades cambian con la dirección a lo largo del objeto. Como un grano de madera, el núcleo interno de la Tierra también tiene una textura que cambia con la dirección, siendo anisotrópica.

Las características únicas de la fase Fe BCC, como la autodifusión a alta temperatura incluso en un hierro sólido puro, podrían ser responsables de la formación de estructuras anisotrópicas a gran escala necesarias para explicar la anisotropía del núcleo interno de la Tierra, dice. La difusión permite texturizar fácilmente el hierro en respuesta a cualquier estrés.

Los hallazgos aparecieron en la revista Nature Geosciences. Mire el video a continuación para obtener una explicación visual de lo que sucede dentro del núcleo de nuestro planeta.

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