Cómo sabemos lo que hay en el núcleo de la Tierras
Los humanos hemos estado por toda la Tierra. Hemos conquistado las tierras, volado por los aires y buceado hasta las fosas más profundas del océano. Incluso hemos estado en la Luna. Pero nunca hemos estado en el núcleo del planeta.
Ni siquiera nos hemos acercado. El punto central de la Tierra está a más de 6.000 km de profundidad, e incluso la parte más externa del núcleo está a casi 3.000 km por debajo de nuestros pies. El agujero más profundo que hemos creado en la superficie es la perforación superprofunda de Kola, en Rusia, y sólo desciende unos lamentables 12,3 km.
Todos los acontecimientos familiares de la Tierra también ocurren cerca de la superficie. La lava que brota de los volcanes se funde primero a unos cientos de kilómetros de profundidad. Incluso los diamantes, que necesitan calor y presión extremas para formarse, se originan en rocas a menos de 500 km de profundidad.
Lo que hay debajo de todo eso está rodeado de misterio. Parece insondable. Y, sin embargo, sabemos una cantidad sorprendente de cosas sobre el núcleo. Incluso tenemos alguna idea de cómo se formó hace miles de millones de años, todo ello sin una sola muestra física. Así es como se reveló el núcleo.
Una buena manera de empezar es pensar en la masa de la Tierra, dice Simon Redfern, de la Universidad de Cambridge en el Reino Unido.
La mayor parte de la masa de la Tierra debe estar situada hacia el centro del planeta
Podemos estimar la masa de la Tierra observando el efecto de la gravedad del planeta sobre los objetos de la superficie. Resulta que la masa de la Tierra es de 5,9 sextillones de toneladas: eso es 59 seguido de 20 ceros.
No hay rastro de nada tan masivo en la superficie.
«La densidad del material en la superficie de la Tierra es mucho menor que la densidad media de toda la Tierra, así que eso nos indica que hay algo mucho más denso», dice Redfern. «Eso es lo primero».
Esencialmente, la mayor parte de la masa de la Tierra debe estar situada hacia el centro del planeta. El siguiente paso es preguntarse qué materiales pesados componen el núcleo.
La respuesta en este caso es que es casi seguro que está hecho principalmente de hierro. Se cree que el núcleo está compuesto en un 80% por hierro, aunque la cifra exacta es objeto de debate.
Un núcleo de hierro explicaría toda esa masa perdida
La principal prueba de ello es la enorme cantidad de hierro que hay en el universo que nos rodea. Es uno de los diez elementos más comunes en nuestra galaxia, y se encuentra con frecuencia en los meteoritos.
Dado lo mucho que hay de él, el hierro es mucho menos común en la superficie de la Tierra de lo que podríamos esperar. Así que la teoría es que cuando la Tierra se formó hace 4.500 millones de años, una gran cantidad de hierro se abrió camino hasta el núcleo.
Allí es donde está la mayor parte de la masa, y es donde debe estar también la mayor parte del hierro. El hierro es un elemento relativamente denso en condiciones normales, y bajo la presión extrema en el núcleo de la Tierra sería aplastado hasta una densidad aún mayor, por lo que un núcleo de hierro explicaría toda esa masa perdida.
Pero espera un momento. ¿Cómo llegó ese hierro hasta allí en primer lugar?
El hierro debe haber gravitado de alguna manera -literalmente- hacia el centro de la Tierra. Pero no es inmediatamente obvio cómo.
La mayor parte del resto de la Tierra está formada por rocas llamadas silicatos, y el hierro fundido tiene dificultades para viajar a través de ellas. De forma parecida a como el agua en una superficie grasienta forma gotas, el hierro se aferra a sí mismo en pequeños depósitos, negándose a extenderse y fluir.
La presión realmente cambia las propiedades de cómo el hierro interactúa con el silicato
Una posible solución fue descubierta en 2013 por Wendy Mao, de la Universidad de Stanford en California, y sus colegas. Se preguntaron qué ocurría cuando el hierro y el silicato eran expuestos a una presión extrema, como ocurre en las profundidades de la tierra.
Pellizcando ambas sustancias con extrema fuerza utilizando diamantes, fueron capaces de forzar el hierro fundido a través del silicato.
«La presión realmente cambia las propiedades de cómo el hierro interactúa con el silicato», dice Mao. «A presiones más altas se forma una ‘red de fusión'».
Esto sugiere que el hierro fue exprimido gradualmente a través de las rocas de la Tierra durante millones de años, hasta llegar al núcleo.
En este punto te estarás preguntando cómo sabemos el tamaño del núcleo. Qué hace pensar a los científicos que comienza a 3000 km de profundidad? Hay una respuesta de una sola palabra: sismología.
Todas las estaciones sísmicas repartidas por la Tierra registraron la llegada de los temblores
Cuando se produce un terremoto, envía ondas de choque por todo el planeta. Los sismólogos registran estas vibraciones. Es como si golpeáramos un lado del planeta con un martillo gigantesco y escucháramos en el otro lado el ruido.
«Hubo un terremoto en Chile en la década de 1960 que generó una enorme cantidad de datos», dice Redfern. «Todas las estaciones sísmicas repartidas por toda la Tierra registraron la llegada de los temblores de ese terremoto».
Dependiendo de la ruta que sigan esas vibraciones, pasan por diferentes partes de la Tierra, y esto afecta a cómo «suenan» en el otro extremo.
Al principio de la historia de la sismología, se vio que algunas vibraciones se perdían. Se esperaba que estas «ondas S» aparecieran en un lado de la Tierra después de haberse originado en el otro, pero no había rastro de ellas.
Resultó que las rocas se volvían líquidas alrededor de los 3000 km de profundidad
La razón de esto era simple. Las ondas S sólo pueden reverberar a través de material sólido, y no pueden hacerlo a través de líquido.
Debieron encontrarse con algo fundido en el centro de la Tierra. Al trazar las trayectorias de las ondas S, se descubrió que las rocas se volvieron líquidas a unos 3.000 km de profundidad.
Eso sugería que todo el núcleo estaba fundido. Pero la sismología tenía reservada otra sorpresa.
En la década de 1930, un sismólogo danés llamado Inge Lehmann observó que otro tipo de ondas, llamadas ondas P, viajaban inesperadamente a través del núcleo y podían detectarse al otro lado del planeta.
Las ondas P realmente viajaban a través del núcleo
Llegó a una explicación sorprendente: el núcleo está dividido en dos capas. El núcleo «interior», que comienza a unos 5.000 km de profundidad, era realmente sólido. La idea de Lehmann fue confirmada en 1970, cuando sismógrafos más sensibles descubrieron que las ondas P realmente viajaban a través del núcleo y, en algunos casos, eran desviadas en ángulos. Y, efectivamente, acababan en el otro lado del planeta.
No sólo los terremotos enviaron ondas de choque útiles a través de la Tierra. De hecho, la sismología debe gran parte de su éxito al desarrollo de las armas nucleares.
Una detonación nuclear también crea ondas en el suelo, por lo que las naciones utilizan la sismología para escuchar las pruebas de armas. Durante la Guerra Fría esto se consideraba enormemente importante, por lo que los sismólogos como Lehmann recibieron mucho estímulo.
Esto resulta ser bastante complicado de determinar
Los países rivales se enteraron de las capacidades nucleares de los demás y, en el camino, aprendimos más y más sobre el núcleo de la Tierra. La sismología se sigue utilizando para detectar detonaciones nucleares hoy en día.
Ahora podemos dibujar una imagen aproximada de la estructura de la Tierra. Hay un núcleo externo fundido, que comienza aproximadamente a mitad de camino del centro del planeta, y dentro de él está el núcleo interno sólido con un diámetro de 1.220 km.
Pero hay mucho más que tratar de descifrar, especialmente sobre el núcleo interno. Para empezar, ¿cómo está de caliente?
Esto resulta bastante difícil de determinar, y ha desconcertado a los científicos hasta hace poco, dice Lidunka Vočadlo del University College London en el Reino Unido. No podemos poner un termómetro ahí abajo, así que la única solución es crear la presión de aplastamiento correcta en el laboratorio.
El núcleo de la Tierra se ha mantenido caliente gracias al calor retenido desde la formación del planeta
En 2013 un equipo de investigadores franceses realizó la mejor estimación hasta la fecha. Sometieron al hierro puro a presiones algo superiores a la mitad de las del núcleo y extrapolaron a partir de ahí. Llegaron a la conclusión de que el punto de fusión del hierro puro a la temperatura del núcleo es de unos 6.230 °C. La presencia de otros materiales reduciría un poco el punto de fusión del núcleo, hasta unos 6.000 °C. Pero eso sigue siendo tan caliente como la superficie del Sol.
El núcleo de la Tierra, un poco como una patata asada, se ha mantenido caliente gracias al calor retenido desde la formación del planeta. También se calienta por la fricción, ya que los materiales más densos se desplazan, así como por la desintegración de elementos radiactivos. Aun así, se está enfriando unos 100 °C cada mil millones de años.
Conocer la temperatura es útil, porque afecta a la velocidad a la que las vibraciones viajan por el núcleo. Esto es útil, porque hay algo extraño en las vibraciones.
Las ondas P viajan con una lentitud inesperada cuando atraviesan el núcleo interno, más lento de lo que lo harían si estuviera hecho de hierro puro.
Es un problema de Cenicienta: ningún zapato encaja del todo
«Las velocidades de las ondas que los sismólogos miden en los terremotos y demás son significativamente inferiores a las que nosotros medimos en un experimento o calculamos en un ordenador», dice Vočadlo. «Nadie sabe todavía por qué es así»
Eso sugiere que hay otro material en la mezcla.
Podría ser perfectamente otro metal, llamado níquel. Pero los científicos han calculado cómo viajarían las ondas sísmicas a través de una aleación de hierro y níquel, y tampoco se ajusta a las lecturas.
Vočadlo y sus colegas están considerando ahora si podría haber también otros elementos ahí abajo, como azufre y silicio. Hasta ahora, nadie ha sido capaz de elaborar una teoría sobre la composición del núcleo interno que satisfaga a todos. Es un problema de Cenicienta: ningún zapato encaja del todo.
Eso podría explicar por qué las ondas sísmicas pasan más lentamente de lo esperado
Vočadlo está intentando simular los materiales del núcleo interno en un ordenador. Espera encontrar una combinación de materiales, temperaturas y presiones que ralentice las ondas sísmicas en la medida adecuada.
Dice que el secreto podría estar en el hecho de que el núcleo interno está casi en su punto de fusión. Como resultado, las propiedades precisas de los materiales podrían ser diferentes de las que tendrían si fueran sólidas de forma segura.
Eso podría explicar por qué las ondas sísmicas pasan más lentamente de lo esperado.
«Si ese es el efecto real, podríamos reconciliar los resultados de la física mineral con los resultados sismológicos», dice Vocadlo. «La gente no ha sido capaz de hacer eso todavía».
Hay muchos enigmas sobre el núcleo de la Tierra aún por resolver. Pero sin llegar a excavar a esas profundidades imposibles, los científicos han averiguado mucho sobre lo que ocurre a miles de kilómetros por debajo de nosotros.
El campo magnético ayuda a protegernos de la dañina radiación solar
Esos procesos ocultos en las profundidades de la Tierra son cruciales para nuestra vida diaria, de una forma que muchos desconocemos.
La Tierra tiene un potente campo magnético, y todo ello gracias al núcleo parcialmente fundido. El movimiento constante del hierro fundido crea una corriente eléctrica en el interior del planeta, y eso a su vez genera un campo magnético que llega hasta el espacio.
El campo magnético ayuda a protegernos de la dañina radiación solar. Si el núcleo de la Tierra no fuera como es, no habría campo magnético, y tendríamos todo tipo de problemas con los que lidiar.
Ninguno de nosotros pondrá nunca los ojos en el núcleo, pero es bueno saber que está ahí.