Cristalización del dióxido de silicio y evolución composicional del núcleo de la Tierra
Científicos
del Instituto de Ciencias de la Tierra en el Instituto Tecnológico de Tokio
informan descubrimientos inesperados sobre el núcleo de la Tierra. Los
hallazgos incluyen información sobre la fuente de energía que impulsa el campo
magnético de la Tierra, los factores que rigen el enfriamiento del núcleo y su
composición química, y las condiciones que existían durante la formación de la
Tierra.
El núcleo de la Tierra consiste principalmente de una enorme bola de metal líquido situada a 3000 km bajo su superficie, rodeada por un manto de roca caliente. En particular, a tales profundidades, tanto el núcleo como el manto están sometidos a presiones y temperaturas extremadamente altas. Además, las investigaciones indican que el lento flujo progresivo de rocas flotantes calientes, moviendose varios centímetros por año, transfiere el calor del núcleo a la superficie, dando lugar a un enfriamiento gradual del núcleo en el tiempo geológico. Sin embargo, el grado en que el núcleo de la Tierra se ha enfriado desde su formación es un tema de intenso debate entre los científicos.
En 2013 Kei Hirose, informó que el núcleo de la Tierra puede haberse enfriado hasta 1000 ˚C desde su formación hace 4.500 millones de años. Esta gran cantidad de enfriamiento sería necesaria para sostener el campo geomagnético, a menos que hubiera otra fuente de energía aún no descubierta. Estos resultados fueron una gran sorpresa para la comunidad científica y crearon lo que Peter Olson de la Universidad Johns Hopkins denominó "la nueva paradoja del calor del núcleo", en un artículo publicado en Science.
El enfriamiento del núcleo y las fuentes de energía para el campo geomagnético no fueron los únicos problemas enfrentados por el equipo. Otro tema sin resolver era la incertidumbre acerca de la composición química del núcleo. "El núcleo es principalmente hierro y un poco de níquel, pero también contiene alrededor de 10% de aleaciones ligeras como el silicio, oxígeno, azufre, carbón, hidrógeno y otros compuestos", dijo Hirose, autor principal del nuevo estudio que se publicará en la revista Nature. "Creemos que muchas aleaciones están presentes simultáneamente, pero no se sabe la proporción de cada elemento".
Ahora, en la última investigación realizada en el laboratorio de Hirose en ELSI, los científicos usaron diamantes de precisión para introducir pequeñas muestras de polvo a las mismas presiones que existen en el núcleo de la Tierra. Las altas temperaturas en el interior de la Tierra fueron reproducidas mediante el calentamiento de las muestras con un rayo láser. Mediante la realización de experimentos con una gama de composiciones de aleaciones probables bajo una variedad de condiciones, Hirose y sus colegas están tratando de identificar el comportamiento único de diferentes combinaciones de aleaciones que coinciden con el ambiente que existe en el núcleo de la Tierra.
La
búsqueda de aleaciones comenzó a dar resultados útiles cuando Hirose y sus
colaboradores empezaron a mezclar más de una aleación. "En el pasado, la
mayoría de las investigaciones sobre las aleaciones de hierro en el núcleo se
ha centrado sólo en el hierro y una sola aleación", dice Hirose.
"Pero en estos experimentos se decidió combinar dos aleaciones diferentes
que contienen silicio y oxígeno, que se piensa que existen en el núcleo".
Los investigadores se sorprendieron al descubrir que cuando examinaron las muestras en un microscopio electrónico, las pequeñas cantidades de silicio y oxígeno en la muestra inicial se habían combinado para formar cristales de dióxido de silicio, la misma composición que el mineral de cuarzo encontrado en la superficie de la Tierra.
"Este
resultado resultó importante para entender la energía y la evolución del
núcleo", dice John Hernlund de ELSI, co-autor del estudio. "Estábamos
emocionados porque nuestros cálculos mostraron que la cristalización de los
cristales de dióxido de silicio del núcleo podrían proporcionar una inmensa
fuente de energía nueva para alimentar el campo magnético de la Tierra".
El impulso adicional que proporciona es suficiente para resolver la paradoja de
Olson.
El equipo también ha explorado las implicaciones de estos resultados para la formación de la Tierra y las condiciones en los inicios del sistema solar. La cristalización cambia la composición del núcleo eliminando el silicio y el oxígeno disueltos gradualmente con el tiempo. Eventualmente, el proceso de cristalización se detendrá cuando el núcleo carezca de su antiguo inventario de silicio u oxígeno.
"Incluso
con la presencia de silicio, no se pueden fabricar cristales de dióxido de
silicio sin tener también algo de oxígeno disponible", dice el científico
de ELSI, George Helffrich, quien modeló el proceso de cristalización de este estudio.
"Pero esto nos da pistas sobre la concentración original de oxígeno y
silicio en el núcleo, porque sólo algunas proporciones de silicio/oxígeno son
compatibles con este modelo".
Kei Hirose. Crystallization of silicon dioxide and compositional evolution of the Earth’s core. Nature 543, 99–102 (02 March 2017) doi:10.1038/nature21367
El núcleo de la Tierra consiste principalmente de una enorme bola de metal líquido situada a 3000 km bajo su superficie, rodeada por un manto de roca caliente. En particular, a tales profundidades, tanto el núcleo como el manto están sometidos a presiones y temperaturas extremadamente altas. Además, las investigaciones indican que el lento flujo progresivo de rocas flotantes calientes, moviendose varios centímetros por año, transfiere el calor del núcleo a la superficie, dando lugar a un enfriamiento gradual del núcleo en el tiempo geológico. Sin embargo, el grado en que el núcleo de la Tierra se ha enfriado desde su formación es un tema de intenso debate entre los científicos.
En 2013 Kei Hirose, informó que el núcleo de la Tierra puede haberse enfriado hasta 1000 ˚C desde su formación hace 4.500 millones de años. Esta gran cantidad de enfriamiento sería necesaria para sostener el campo geomagnético, a menos que hubiera otra fuente de energía aún no descubierta. Estos resultados fueron una gran sorpresa para la comunidad científica y crearon lo que Peter Olson de la Universidad Johns Hopkins denominó "la nueva paradoja del calor del núcleo", en un artículo publicado en Science.
El enfriamiento del núcleo y las fuentes de energía para el campo geomagnético no fueron los únicos problemas enfrentados por el equipo. Otro tema sin resolver era la incertidumbre acerca de la composición química del núcleo. "El núcleo es principalmente hierro y un poco de níquel, pero también contiene alrededor de 10% de aleaciones ligeras como el silicio, oxígeno, azufre, carbón, hidrógeno y otros compuestos", dijo Hirose, autor principal del nuevo estudio que se publicará en la revista Nature. "Creemos que muchas aleaciones están presentes simultáneamente, pero no se sabe la proporción de cada elemento".
Ahora, en la última investigación realizada en el laboratorio de Hirose en ELSI, los científicos usaron diamantes de precisión para introducir pequeñas muestras de polvo a las mismas presiones que existen en el núcleo de la Tierra. Las altas temperaturas en el interior de la Tierra fueron reproducidas mediante el calentamiento de las muestras con un rayo láser. Mediante la realización de experimentos con una gama de composiciones de aleaciones probables bajo una variedad de condiciones, Hirose y sus colegas están tratando de identificar el comportamiento único de diferentes combinaciones de aleaciones que coinciden con el ambiente que existe en el núcleo de la Tierra.
 |
| Creditos: Kei Hirose |
Los investigadores se sorprendieron al descubrir que cuando examinaron las muestras en un microscopio electrónico, las pequeñas cantidades de silicio y oxígeno en la muestra inicial se habían combinado para formar cristales de dióxido de silicio, la misma composición que el mineral de cuarzo encontrado en la superficie de la Tierra.
 |
| Creditos: Kei Hirose |
El equipo también ha explorado las implicaciones de estos resultados para la formación de la Tierra y las condiciones en los inicios del sistema solar. La cristalización cambia la composición del núcleo eliminando el silicio y el oxígeno disueltos gradualmente con el tiempo. Eventualmente, el proceso de cristalización se detendrá cuando el núcleo carezca de su antiguo inventario de silicio u oxígeno.
 |
| Creditos: Kei Hirose |
Kei Hirose. Crystallization of silicon dioxide and compositional evolution of the Earth’s core. Nature 543, 99–102 (02 March 2017) doi:10.1038/nature21367
