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El núcleo externo de la Tierra

Estructura de la Tierra y la atmósfera

El núcleo externo de la Tierra es una capa fluida de unos 2260 km (1400 mi) de espesor, compuesta principalmente de hierro y níquel que se encuentra por encima del núcleo interno sólido de la Tierra y debajo de su manto . [1] [2] [3] El núcleo externo comienza aproximadamente a 2889 km (1795 mi) debajo de la superficie de la Tierra en el límite núcleo-manto y termina a 5150 km (3200 mi) debajo de la superficie de la Tierra en el límite del núcleo interno. [4]

Propiedades

El núcleo externo de la Tierra es líquido , a diferencia de su núcleo interno , que es sólido. [5] La evidencia de un núcleo externo fluido incluye la sismología , que muestra que las ondas transversales sísmicas no se transmiten a través del núcleo externo. [6] Aunque tiene una composición similar al núcleo interno sólido de la Tierra, el núcleo externo permanece líquido ya que no hay suficiente presión para mantenerlo en estado sólido.

Las inversiones sísmicas de las ondas corporales y los modos normales limitan el radio del núcleo externo a 3483 km con una incertidumbre de 5 km, mientras que el del núcleo interno es de 1220 ± 10 km. [7] : 94 

Las estimaciones de la temperatura del núcleo externo son de unos 3000–4500 K (2700–4200 °C; 4900–7600 °F) en su región exterior y de 4000–8000 K (3700–7700 °C; 6700–14 000 °F) cerca del núcleo interno. [8] Los modelos han demostrado que el núcleo externo, debido a su alta temperatura, es un fluido de baja viscosidad que se mueve por convección de forma turbulenta . [8] La teoría del dinamo considera que las corrientes de Foucault en el fluido de níquel-hierro del núcleo externo son la principal fuente del campo magnético de la Tierra . Se estima que la intensidad media del campo magnético en el núcleo externo de la Tierra es de 2,5 militeslas , 50 veces más fuerte que el campo magnético de la superficie. [9] [10]

A medida que el núcleo de la Tierra se enfría, el líquido en el límite del núcleo interno se congela, lo que hace que el núcleo interno sólido crezca a expensas del núcleo externo, a un ritmo estimado de 1 mm por año. Esto equivale aproximadamente a 80.000 toneladas de hierro por segundo. [11]

Elementos ligeros del núcleo exterior de la Tierra

Composición

El núcleo externo de la Tierra no puede estar constituido completamente de hierro o aleación de hierro-níquel porque sus densidades son más altas que las mediciones geofísicas de la densidad del núcleo externo de la Tierra. [12] [13] [14] [15] De hecho, el núcleo externo de la Tierra tiene aproximadamente entre un 5 y un 10 por ciento menos de densidad que el hierro a las temperaturas y presiones del núcleo de la Tierra . [15] [16] [17] Por lo tanto, se ha propuesto que los elementos ligeros con números atómicos bajos componen parte del núcleo externo de la Tierra, como la única forma factible de reducir su densidad. [14] [15] [16] Aunque el núcleo externo de la Tierra es inaccesible al muestreo directo, [14] [15] [18] la composición de los elementos ligeros se puede restringir de manera significativa mediante experimentos de alta presión , cálculos basados ​​en mediciones sísmicas , modelos de acreción de la Tierra y comparaciones de meteoritos de condrita carbonácea con la Tierra de silicato en masa (BSE) . [12] [14] [15] [16] [18] [19] Estimaciones recientes indican que el núcleo externo de la Tierra está compuesto de hierro junto con 0 a 0,26 por ciento de hidrógeno , 0,2 por ciento de carbono , 0,8 a 5,3 por ciento de oxígeno , 0 a 4,0 por ciento de silicio , 1,7 por ciento de azufre y 5 por ciento de níquel en peso, y la temperatura del límite núcleo-manto y el límite del núcleo interno varía de 4.137 a 4.300 K y de 5.400 a 6.300 K respectivamente. [14]

Restricciones

Acreción
Ilustración artística de cómo podría haber sido la Tierra en sus inicios. En esta imagen, la Tierra parece fundida, con brechas rojas de lava que se separan con placas de material irregulares y aparentemente enfriadas.
Ilustración artística de cómo podría haber sido la Tierra al principio de su formación.

La variedad de elementos ligeros presentes en el núcleo exterior de la Tierra está limitada en parte por la acreción de la Tierra . [16] Es decir, los elementos ligeros contenidos deben haber sido abundantes durante la formación de la Tierra, deben poder dividirse en hierro líquido a bajas presiones y no deben volatilizarse y escapar durante el proceso de acreción de la Tierra. [14] [16]

Condritas CI

Se cree que los meteoritos condríticos CI contienen los mismos elementos formadores de planetas en las mismas proporciones que en el Sistema Solar primitivo , [14] por lo que las diferencias entre los meteoritos CI y los BSE pueden proporcionar información sobre la composición de elementos ligeros del núcleo externo de la Tierra. [20] [14] Por ejemplo, el agotamiento de silicio en los BSE en comparación con los meteoritos CI puede indicar que el silicio fue absorbido por el núcleo de la Tierra; sin embargo, todavía es posible una amplia gama de concentraciones de silicio en el núcleo externo e interno de la Tierra . [14] [21] [22]

Implicaciones para la historia de la acreción y la formación del núcleo de la Tierra

Unas restricciones más estrictas sobre las concentraciones de elementos ligeros en el núcleo externo de la Tierra proporcionarían una mejor comprensión de la historia de la acreción y la formación del núcleo de la Tierra . [14] [19] [23]

Consecuencias para la acreción de la Tierra

Los modelos de acreción de la Tierra podrían probarse mejor si tuviéramos mejores restricciones sobre las concentraciones de elementos ligeros en el núcleo externo de la Tierra. [14] [23] Por ejemplo, los modelos de acreción basados ​​en la partición de elementos núcleo-manto tienden a apoyar proto-Tierras construidas a partir de material reducido, condensado y libre de volátiles, [14] [19] [23] a pesar de la posibilidad de que el material oxidado del Sistema Solar exterior se acrecionara hacia la conclusión de la acreción de la Tierra . [14] [19] Si pudiéramos restringir mejor las concentraciones de hidrógeno , oxígeno y silicio en el núcleo externo de la Tierra, los modelos de acreción de la Tierra que coincidan con estas concentraciones presumiblemente restringirían mejor la formación de la Tierra. [14]

Consecuencias para la formación del núcleo de la Tierra

Diagrama de la diferenciación de la Tierra. El diagrama muestra las diferentes capas de la Tierra y cómo los materiales densos se desplazan hacia el núcleo de la Tierra.
Diagrama de la diferenciación de la Tierra. Los elementos ligeros azufre, silicio, oxígeno, carbono e hidrógeno pueden formar parte del núcleo externo debido a su abundancia y capacidad de desintegrarse en hierro líquido en determinadas condiciones.

El agotamiento de los elementos siderófilos en el manto de la Tierra en comparación con los meteoritos condríticos se atribuye a las reacciones metal-silicato durante la formación del núcleo de la Tierra. [24] Estas reacciones dependen del oxígeno , el silicio y el azufre , [14] [25] [24] por lo que mejores restricciones sobre las concentraciones de estos elementos en el núcleo externo de la Tierra ayudarán a dilucidar las condiciones de formación del núcleo de la Tierra . [14] [23] [25] [24] [26]

En otro ejemplo, la posible presencia de hidrógeno en el núcleo externo de la Tierra sugiere que la acumulación de agua de la Tierra [14] [27] [28] no se limitó a las etapas finales de la acreción de la Tierra [23] y que el agua puede haber sido absorbida por los metales formadores del núcleo a través de un océano de magma hidratado . [14] [29]

Implicaciones para el campo magnético de la Tierra

Diagrama del geodinamo y el campo magnético de la Tierra, que podrían haber sido impulsados ​​en la historia temprana de la Tierra por la cristalización de óxido de magnesio, dióxido de silicio y óxido de hierro (II). La convección del núcleo externo de la Tierra se muestra junto con las líneas del campo magnético.
Un diagrama del geodinamo y el campo magnético de la Tierra, que podrían haber sido impulsados ​​en la historia temprana de la Tierra por la cristalización de óxido de magnesio , dióxido de silicio y óxido de hierro (II) .

El campo magnético de la Tierra es impulsado por convección térmica y también por convección química, la exclusión de elementos ligeros del núcleo interno, que flotan hacia arriba dentro del núcleo externo fluido mientras que los elementos más densos se hunden. [17] [30] Esta convección química libera energía gravitacional que luego está disponible para alimentar el geodinamo que produce el campo magnético de la Tierra. [30] Las eficiencias de Carnot con grandes incertidumbres sugieren que la convección compositiva y térmica contribuyen aproximadamente con el 80 por ciento y el 20 por ciento respectivamente a la energía del geodinamo de la Tierra. [30] Tradicionalmente se pensaba que antes de la formación del núcleo interno de la Tierra , el geodinamo de la Tierra era impulsado principalmente por convección térmica. [30] Sin embargo, afirmaciones recientes de que la conductividad térmica del hierro a temperaturas y presiones centrales es mucho mayor de lo que se pensaba anteriormente implican que el enfriamiento del núcleo se debía principalmente a la conducción, no a la convección, lo que limita la capacidad de la convección térmica para impulsar el geodinamo. [14] [17] Este enigma se conoce como la nueva "paradoja del núcleo". [14] [17] Un proceso alternativo que podría haber sostenido la geodinamo de la Tierra requiere que el núcleo de la Tierra haya estado inicialmente lo suficientemente caliente como para disolver el oxígeno , el magnesio , el silicio y otros elementos ligeros. [17] A medida que el núcleo de la Tierra comenzó a enfriarse, se sobresaturaría en estos elementos ligeros que luego se precipitarían en el manto inferior formando óxidos que conducen a una variante diferente de convección química. [14] [17]

El campo magnético generado por el flujo del núcleo es esencial para proteger la vida de la radiación interplanetaria y evitar que la atmósfera se disipe con el viento solar . La tasa de enfriamiento por conducción y convección es incierta, [31] pero una estimación es que no se esperaría que el núcleo se congelara hasta aproximadamente 91 mil millones de años, que es mucho después de que se espera que el Sol se expanda, esterilice la superficie del planeta y luego se queme. [32] [ se necesita una mejor fuente ]

Referencias

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