Porque el nucleo interno es solido

Datos sobre el núcleo interno

El núcleo interno del planeta Tierra estuvo en su día fundido. Pero se solidificó en los últimos 565 millones de años, según sugiere un nuevo estudio. Eso habría sido justo a tiempo para salvar el campo magnético protector del planeta de un colapso inminente. También habría impulsado ese campo hacia su actual y poderosa fase, dice el estudio.

La Tierra se formó hace unos 4.540 millones de años. El nuevo estudio ofrece pistas sobre cómo -y con qué rapidez- la Tierra ha ido perdiendo calor desde su formación. Y eso es clave para saber cómo se formó el escudo magnético del planeta. También ofrece información sobre los movimientos relacionados con el calor dentro del manto (entre la corteza y el núcleo de la Tierra), así como sobre la tectónica de placas.

“No tenemos muchos puntos de referencia reales para la historia térmica de nuestro planeta”, dice Peter Olson. Es geofísico de la Universidad Johns Hopkins de Baltimore (Maryland). No participó en el nuevo estudio. “Sabemos que el interior [de la Tierra] era más caliente que hoy, porque todos los planetas pierden calor. Pero no sabemos cuál era la temperatura media hace mil millones de años, comparada con la actual”. Averiguar cuándo empezó a cristalizar el hierro en el núcleo interno podría ofrecer una ventana a lo caliente que era el interior del planeta entonces, dice.

Espesor del núcleo interno

Hay tres fuentes principales de calor en las profundidades de la Tierra: (1) el calor de cuando se formó el planeta y se acrecentó, que aún no se ha perdido; (2) el calentamiento por fricción, causado por el material más denso del núcleo que se hunde hacia el centro del planeta; y (3) el calor procedente de la desintegración de elementos radiactivos.

El calor tarda bastante tiempo en salir de la Tierra. Esto ocurre tanto por el transporte “convectivo” del calor dentro del núcleo externo líquido de la Tierra y el manto sólido como por el transporte “conductivo” más lento del calor a través de las capas límite no convectivas, como las placas de la Tierra en la superficie. Como resultado, se ha retenido gran parte del calor primordial del planeta, de cuando la Tierra se acrecentó y desarrolló su núcleo.

La cantidad de calor que puede surgir a través de simples procesos de acreción, juntando pequeños cuerpos para formar la proto-tierra, es grande: del orden de 10.000 kelvins (unos 18.000 grados Farhenheit). La cuestión crucial es saber qué parte de esa energía se depositó en la Tierra en crecimiento y qué parte se irradió al espacio. De hecho, la idea actualmente aceptada sobre cómo se formó la luna implica el impacto o la acreción de un objeto del tamaño de Marte con la proto-tierra o por ella. Cuando dos objetos de este tamaño chocan, se generan grandes cantidades de calor, del que se retiene bastante. Este único episodio podría haber fundido en gran medida los últimos miles de kilómetros del planeta.

Litosfera

Nunca he entendido por qué el núcleo interno de la Tierra es sólido. Teniendo en cuenta que el núcleo interno está hecho de una aleación de hierro-níquel (punto de fusión alrededor de 1350 C a 1600 C) y que la temperatura del núcleo interno es de aproximadamente 5430 C (aproximadamente la temperatura de la superficie del sol). Dado que el núcleo de la Tierra tiene un punto de fusión casi 3-4 veces superior al de las aleaciones de hierro-níquel, ¿cómo es posible que sea sólido?

El diagrama de fases que se muestra a continuación (extraído de este documento) muestra la transición líquido/sólido, donde fcc y hcp son dos formas cristalinas diferentes del hierro sólido. Puedes ver claramente, por la pendiente de la línea que va hacia la parte superior derecha, que el hierro debería ser sólido a esta temperatura y presión.

Además de las respuestas de abajo y de mi comentario de arriba, creo que el siguiente diagrama de fases, de la respuesta de DavePhd aquí, extraído de aquí, es más apropiado para los niveles de presión cerca del núcleo de la Tierra de unos 330 a 360GPa.

Podemos ver en la imagen que para presiones entre 330 y 360GPa, la temperatura de fusión oscila entre unos 6200 K y 6600 K, que es mucho más alta que la temperatura del núcleo interno de la Tierra, de unos 5700 K.

Por qué el núcleo interno es sólido y el externo es líquido

El núcleo interno de la Tierra es sólido porque, a pesar de la enorme temperatura que hay en esta región, también hay una enorme presión, que a su vez eleva el punto de fusión del hierro y el níquel a un valor superior a la temperatura del núcleo de la Tierra.

Ahora bien, a medida que nos alejamos del núcleo interno sólido, la temperatura desciende y la presión también. Evidentemente, dado que el núcleo interno es sólido pero el externo es líquido, debemos concluir que la caída de la temperatura frente a la caída de la presión debe ser menor que el gradiente de 16 grados/GPa que se muestra en el diagrama siguiente (enlace a la fuente), dado que en el núcleo externo la temperatura ha superado el punto de fusión del hierro/níquel, que es una función de la presión.

Entonces, ¿cómo es que la presión cae lo suficientemente rápido en relación con la temperatura para dar lugar al núcleo externo líquido? Una buena respuesta explicará cómo disminuye la temperatura con el radio y cómo disminuye la presión con el radio y cómo se comparan para dar lugar al núcleo externo líquido.

Sólo para añadir a la respuesta de Dave, los diagramas de fase anteriores dan la ilusión de alta precisión. De hecho, además de la distribución de la temperatura, ni siquiera estamos totalmente seguros de cuántas fases subsólidas hay. Véase, por ejemplo, Ahrens et al: http://web.gps.caltech.edu/~sue/TJA_LindhurstLabWebsite/ListPublications/Papers_pdf/Seismo_2069.pdf