El balance térmico interno de la Tierra es fundamental para la historia térmica de la Tierra . Se estima que el flujo de calor desde el interior de la Tierra hacia la superficie es de 47 ± 2 teravatios (TW) [1] y proviene de dos fuentes principales en cantidades aproximadamente iguales: el calor radiogénico producido por la desintegración radiactiva de los isótopos en el manto y la corteza, y el calor primordial que quedó de la formación de la Tierra . [2]
El calor interno de la Tierra viaja a lo largo de gradientes geotérmicos y alimenta la mayoría de los procesos geológicos. [3] Impulsa la convección del manto , la tectónica de placas , la formación de montañas , el metamorfismo de las rocas y el vulcanismo . [2] También se teoriza que la transferencia de calor por convección dentro del núcleo metálico de alta temperatura del planeta sostiene un geodinamo que genera el campo magnético de la Tierra . [4] [5] [6]
A pesar de su importancia geológica, el calor interior de la Tierra contribuye sólo con el 0,03% del presupuesto total de energía de la Tierra en la superficie, que está dominado por 173.000 TW de radiación solar entrante . [7] Esta fuente de energía externa alimenta la mayoría de los procesos atmosféricos, oceánicos y biológicos del planeta. Sin embargo, en la tierra y en el fondo del océano , el calor sensible absorbido de la insolación no reflejada fluye hacia el interior sólo por medio de conducción térmica , y por lo tanto penetra sólo unas pocas docenas de centímetros en el ciclo diario y sólo unas pocas docenas de metros en el ciclo anual. Esto hace que la radiación solar sea mínimamente relevante para los procesos internos de la corteza terrestre . [8]
Los datos globales sobre la densidad del flujo de calor son recopilados y compilados por la Comisión Internacional de Flujo de Calor de la Asociación Internacional de Sismología y Física del Interior de la Tierra . [9]
Basándose en cálculos de la tasa de enfriamiento de la Tierra, que asumían una conductividad constante en el interior de la Tierra, en 1862 William Thomson , más tarde Lord Kelvin , estimó la edad de la Tierra en 98 millones de años, [10] lo que contrasta con la edad de 4.500 millones de años obtenida en el siglo XX mediante datación radiométrica . [11] Como señaló John Perry en 1895 [12] una conductividad variable en el interior de la Tierra podría ampliar la edad calculada de la Tierra a miles de millones de años, como confirmó más tarde la datación radiométrica. Contrariamente a la representación habitual del argumento de Thomson, el gradiente térmico observado de la corteza terrestre no se explicaría por la adición de radiactividad como fuente de calor. Más significativamente, la convección del manto altera la forma en que se transporta el calor dentro de la Tierra, invalidando la suposición de Thomson de un enfriamiento puramente conductivo.
Las estimaciones del flujo de calor total desde el interior de la Tierra hacia la superficie oscilan entre 43 y 49 teravatios (TW) (un teravatio equivale a 10 12 vatios ). [13] Una estimación reciente es de 47 TW, [1] equivalente a un flujo de calor medio de 91,6 mW/m 2 , y se basa en más de 38.000 mediciones. Los flujos de calor medios respectivos de la corteza continental y oceánica son 70,9 y 105,4 mW/m 2 . [1]
Si bien el flujo total de calor interno de la Tierra hacia la superficie está bien limitado, la contribución relativa de las dos principales fuentes de calor de la Tierra, el calor radiogénico y el calor primordial, es muy incierta porque su medición directa es difícil. Los modelos químicos y físicos dan rangos estimados de 15 a 41 TW y de 12 a 30 TW para el calor radiogénico y el calor primordial, respectivamente. [13]
La estructura de la Tierra es una corteza exterior rígida que se compone de una corteza continental más gruesa y una corteza oceánica más delgada, un manto sólido pero que fluye plásticamente , un núcleo externo líquido y un núcleo interno sólido . La fluidez de un material es proporcional a la temperatura; por lo tanto, el manto sólido todavía puede fluir en escalas de tiempo largas, en función de su temperatura [2] y, por lo tanto, en función del flujo del calor interno de la Tierra. El manto se convección en respuesta al calor que escapa del interior de la Tierra, con un manto más caliente y más flotante que se eleva y un manto más frío, y por lo tanto más denso, que se hunde. Este flujo convectivo del manto impulsa el movimiento de las placas litosféricas de la Tierra ; por lo tanto, un reservorio adicional de calor en el manto inferior es fundamental para el funcionamiento de la tectónica de placas y una posible fuente es un enriquecimiento de elementos radiactivos en el manto inferior. [14]
El transporte de calor de la Tierra se produce por conducción , convección del manto , convección hidrotermal y advección volcánica . [15] Se cree que el flujo de calor interno de la Tierra hacia la superficie se debe en un 80% a la convección del manto, y que el calor restante se origina principalmente en la corteza terrestre, [16] y aproximadamente el 1% se debe a la actividad volcánica, los terremotos y la formación de montañas. [2] Por lo tanto, aproximadamente el 99% de la pérdida de calor interna de la Tierra en la superficie se debe a la conducción a través de la corteza, y la convección del manto es el control dominante del transporte de calor desde las profundidades de la Tierra. La mayor parte del flujo de calor de la corteza continental más gruesa se atribuye a fuentes radiogénicas internas; en contraste, la corteza oceánica más delgada tiene solo un 2% de calor radiogénico interno. [2] El flujo de calor restante en la superficie se debería al calentamiento basal de la corteza a partir de la convección del manto. Los flujos de calor están correlacionados negativamente con la edad de las rocas, [1] con los flujos de calor más altos de la roca más joven en los centros de expansión de las dorsales oceánicas (zonas de afloramiento del manto), como se observa en el mapa global del flujo de calor de la Tierra . [1]
La desintegración radiactiva de los elementos del manto y la corteza terrestres da lugar a la producción de isótopos hijos y a la liberación de geoneutrinos y energía térmica, o calor radiogénico . Alrededor del 50% del calor interno de la Tierra se origina en la desintegración radiactiva. [17] Cuatro isótopos radiactivos son responsables de la mayor parte del calor radiogénico debido a su enriquecimiento en relación con otros isótopos radiactivos: uranio-238 ( 238 U), uranio-235 ( 235 U), torio-232 ( 232 Th) y potasio-40 ( 40 K). [18] Debido a la falta de muestras de rocas de profundidades inferiores a 200 km, es difícil determinar con precisión el calor radiogénico en todo el manto, [18] aunque hay algunas estimaciones disponibles. [19]
En el caso del núcleo de la Tierra, los estudios geoquímicos indican que es poco probable que sea una fuente importante de calor radiogénico debido a la baja concentración esperada de elementos radiactivos que se dividen en hierro. [20] La producción de calor radiogénico en el manto está vinculada a la estructura de la convección del manto , un tema de mucho debate, y se cree que el manto puede tener una estructura en capas con una mayor concentración de elementos productores de calor radiactivo en el manto inferior, o pequeños reservorios enriquecidos en elementos radiactivos dispersos por todo el manto. [21]
Los detectores de geoneutrinos pueden detectar la desintegración de 238 U y 232 Th y, por lo tanto, permiten estimar su contribución al actual balance de calor radiogénico, mientras que 235 U y 40 K no son detectables. De todos modos, se estima que 40 K contribuye con 4 TW de calentamiento. [22] Sin embargo, debido a las cortas vidas medias, la desintegración de 235 U y 40 K contribuyó con una gran fracción del flujo de calor radiogénico a la Tierra primitiva, que también era mucho más caliente que en la actualidad. [14] Los resultados iniciales de la medición de los productos geoneutrinos de la desintegración radiactiva desde el interior de la Tierra, un indicador del calor radiogénico, arrojaron una nueva estimación de que la mitad de la fuente de calor interna total de la Tierra es radiogénica, [22] y esto es coherente con estimaciones anteriores. [21]
El calor primordial es el calor que pierde la Tierra a medida que continúa enfriándose desde su formación original, y esto contrasta con su calor radiogénico que todavía se produce activamente. Se cree que el flujo de calor del núcleo de la Tierra (el calor que sale del núcleo y fluye hacia el manto suprayacente) se debe al calor primordial, y se estima que es de 5 a 15 TW. [23] Las estimaciones de la pérdida de calor primordial del manto varían entre 7 y 15 TW, que se calcula como el calor restante después de eliminar el flujo de calor del núcleo y la producción de calor radiogénico de la Tierra a granel del flujo de calor superficial observado. [13]
La formación temprana del núcleo denso de la Tierra podría haber causado sobrecalentamiento y pérdida rápida de calor, y la tasa de pérdida de calor se reduciría una vez que el manto se solidificara. [23] El flujo de calor desde el núcleo es necesario para mantener el núcleo externo convectivo y el geodinamo y el campo magnético de la Tierra ; por lo tanto, el calor primordial del núcleo permitió la atmósfera de la Tierra y, por lo tanto, ayudó a retener el agua líquida de la Tierra. [21]
La energía térmica primordial proviene de la energía potencial liberada al colapsar una gran cantidad de materia en un pozo de gravedad y de la energía cinética de la materia acretada.
La controversia sobre la naturaleza exacta de la convección del manto hace que la evolución vinculada del balance de calor de la Tierra y la dinámica y estructura del manto sean difíciles de desentrañar. [21] Hay evidencia de que los procesos de tectónica de placas no estaban activos en la Tierra antes de hace 3.200 millones de años, y que la pérdida de calor interna de la Tierra primitiva podría haber estado dominada por la advección a través del vulcanismo de tubos de calor . [24] Los cuerpos terrestres con flujos de calor más bajos, como la Luna y Marte , conducen su calor interno a través de una sola placa litosférica, y los flujos de calor más altos, como en la luna Io de Júpiter , dan lugar a un transporte de calor advectivo a través de un vulcanismo mejorado, mientras que la tectónica de placas activa de la Tierra ocurre con un flujo de calor intermedio y un manto convectivo . [24]
Medios relacionados con el balance de calor interno de la Tierra en Wikimedia Commons
