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¿Está desequilibrado el núcleo de la Tierra? Algo extraño está sucediendo dentro de nuestro planeta.

Un corte del subsuelo muestra que el núcleo interno sólido (rojo) crece lentamente al congelar el núcleo externo de hierro líquido (naranja). Las ondas sísmicas viajan más rápido a través del núcleo interno de la Tierra entre los polos norte y sur (flechas azules) que a través del ecuador (flecha verde). Los investigadores concluyen que esta diferencia en la velocidad de la onda sísmica con la dirección (anisotropía) resulta de una alineación preferida de los cristales en desarrollo (aleaciones de hierro-níquel empaquetadas hexagonales, que son anisotrópicas) paralelas al eje de rotación de la Tierra. Crédito: Dibujo de Daniel Frost

Un modelo de cómo el núcleo interno de la Tierra se solidificó en hierro sólido sugiere que puede tener solo 500 millones de años.

Por razones desconocidas, el núcleo interno de hierro sólido de la Tierra está creciendo más rápido que el otro lado, y lo ha hecho desde que comenzó a solidificarse a partir del hierro fundido hace más de 500 millones de años, según un nuevo estudio realizado por sismólogos de terremotos. Universidad de California, Berkeley.

El crecimiento más rápido bajo el mar de Banda en Indonesia no dejó el núcleo desequilibrado. La gravedad distribuye uniformemente el nuevo crecimiento (cristales de hierro que se forman cuando el hierro fundido se enfría) para mantener un núcleo interno esférico creciendo en un radio a una tasa de 1 milímetro por año.

Pero el mayor crecimiento en un lado sugiere que algo en el núcleo o manto externo de la Tierra debajo de Indonesia está eliminando el calor del núcleo interno a un ritmo más rápido que en el otro lado, debajo de Brasil. Un enfriamiento más rápido en un lado aceleraría la cristalización del hierro y el crecimiento del núcleo interno en ese lado.

Esto tiene implicaciones para el campo magnético de la Tierra y su historia, porque la convección en el núcleo externo impulsada por la liberación de calor del núcleo interno es lo que hoy impulsa la dínamo que genera el campo magnético que nos protege de las partículas peligrosas del sol.

Crecimiento y movimiento de cristales en el núcleo interno de la Tierra.

Un nuevo modelo para sismólogos de la Universidad de California, Berkeley, sugiere que el núcleo interno de la Tierra está creciendo más rápido en su lado este (a la izquierda) que en el oeste. La gravedad compensa el crecimiento asimétrico al empujar los cristales de hierro hacia los polos norte y sur (flechas). Esto tiende a alinear el eje largo de los cristales de hierro a lo largo del eje de rotación del planeta (línea discontinua), lo que explica los diferentes tiempos de viaje de las ondas sísmicas a través del núcleo interno. Crédito: Dibujo náutico de Lasplace

“Proporcionamos límites bastante flexibles sobre la edad del núcleo interno, entre 500 millones y 1.500 millones de años, que podrían ser útiles en la discusión de cómo se creó el campo magnético antes de que existiera el núcleo interno sólido”, dijo. Barbara Romanovich, Profesora de la Escuela de Graduados de UC Berkeley en el Departamento de Ciencias de la Tierra y Planetarias y Directora Emérita del Laboratorio Sismológico de Berkeley (BSL). “Sabemos que el campo magnético ya existía hace unos 3 mil millones de años, por lo que otros procesos deben haber impulsado la convección en el núcleo externo en ese momento”.

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La corta edad del núcleo interno, al principio de la historia de la Tierra, puede significar que el calor que hierve el núcleo líquido proviene de elementos ligeros que se separan del hierro, no de la cristalización del hierro, que vemos hoy.

“El debate sobre la edad del núcleo interno ha estado ocurriendo durante mucho tiempo”, dijo Daniel Frost, científico asistente del proyecto en BSL. “La complejidad es: si el núcleo interno solo ha podido existir durante 1.500 millones de años, según lo que sabemos sobre cómo pierde calor y qué tan caliente se pone, ¿de dónde vino el primer campo magnético? de elementos ligeros fundidos que luego se congelan ”.

hierro congelado

El crecimiento asimétrico del núcleo interno explica un misterio de hace tres décadas: que el hierro cristalizado en el núcleo aparece preferentemente alineado a lo largo del eje de rotación de la Tierra, más en el oeste que en el este, mientras que uno esperaría que los cristales se formaran al azar.

La evidencia de esta alineación proviene de las mediciones del tiempo de transmisión de las ondas sísmicas de los terremotos a través del núcleo interno. Las ondas sísmicas viajan más rápido en la dirección del eje de rotación norte-sur que a lo largo del ecuador, una asimetría que los geólogos atribuyen a los cristales de hierro, asimétricos, que tienen ejes largos preferentemente alineados a lo largo del eje de la Tierra.

Si el núcleo es de hierro cristalino sólido, ¿cómo se orientan preferentemente los cristales de hierro en una dirección?

En un intento de explicar las observaciones, Frost y sus colegas Maren Lasplace de la Universidad de Nantes en Francia y Brian Chandler y Romanovich de la Universidad de California, Berkeley, crearon un modelo informático de crecimiento de cristales en el núcleo interno que incorpora modelos de crecimiento geodinámico y la mineralofísica del hierro. A alta presión y alta temperatura.

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“El modelo más simple parecía un poco inusual: que el núcleo interno es asimétrico”, dijo Frost. El lado oeste se ve diferente del lado este hasta el centro, y no solo en la parte superior del núcleo interno, como algunos han sugerido. La única forma en que podemos explicarlo es que un lado está creciendo más rápido que el otro “.

El modelo describe cómo el crecimiento asimétrico, aproximadamente un 60% más alto en el este que en el oeste, puede orientar preferentemente los cristales de hierro a lo largo del eje de giro, con una mayor alineación en el oeste que en el este, y explica la diferencia en la velocidad de la onda sísmica a través el núcleo interno.

“Lo que proponemos en este artículo es un modelo de convección sólida de no equilibrio en el núcleo interno que reconcilia las observaciones sísmicas con las condiciones de frontera geodinámicas plausibles”, dijo Romanovich.

Frost, Romanovich y sus colegas informarán sus hallazgos en la edición de esta semana de la revista. ciencias naturales de la tierra.

El interior de la Tierra por ondas sísmicas.

El subsuelo está formado por capas como una cebolla. El núcleo interno sólido de hierro-níquel —el radio actual de 1.200 kilómetros (745 millas), o aproximadamente tres cuartas partes del tamaño de la Luna— está rodeado por un núcleo externo líquido de hierro-níquel fundido de aproximadamente 2.400 kilómetros (1.500 millas) de espesor. El núcleo exterior está rodeado por un manto de roca caliente de 2.900 kilómetros (1.800 millas) de espesor y cubierto por una fina y fría corteza de roca en la superficie.

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La convección ocurre tanto en el núcleo externo, que hierve lentamente a medida que el calor del hierro cristalizado escapa del núcleo interno, como en el manto, donde las rocas más calientes se mueven hacia arriba para llevar este calor desde el centro del planeta a la superficie. El fuerte movimiento de ebullición del núcleo exterior de hierro líquido produce el campo magnético de la Tierra.

Según el modelo informático de Frost, que ideó con la ayuda de Lasbleis, a medida que crecen los cristales de hierro, la gravedad redistribuye el crecimiento excesivo de este a oeste dentro del núcleo interno. Este movimiento de cristales dentro del sólido bastante blando del núcleo interno, que está cerca del punto de fusión del hierro a estas altas presiones, alinea la red cristalina a lo largo del eje de rotación de la Tierra en mayor grado en el oeste que en el este.

El modelo predice correctamente las nuevas observaciones de los investigadores sobre los tiempos de las ondas sísmicas que viajan a través del núcleo interno: la anisotropía, o la diferencia en los tiempos de viaje paralelos y perpendiculares al eje de giro, aumenta con la profundidad y se compensa con la varianza más fuerte hacia el oeste. de la tierra. El eje de rotación es de unos 400 kilómetros (250 millas).

El modelo de crecimiento del núcleo interno también proporciona límites para la relación níquel-hierro en el centro de la Tierra, dijo Frost. Su modelo no reproduce con precisión las observaciones sísmicas a menos que el níquel constituya entre el 4% y el 8% del núcleo interno, aproximadamente el mismo porcentaje que se encuentra en los meteoritos metálicos que alguna vez se asumió que eran los núcleos de los planetas enanos de nuestro sistema solar. El modelo también les dice a los geólogos qué tan viscoso es el núcleo o fluido interno.

“Sugerimos que la viscosidad del núcleo interno es relativamente grande, que es un parámetro de entrada de interés para los geodinámicos que estudian los procesos de dinamo en el núcleo externo”, dijo Romanovich.

Referencia: “La historia dinámica del núcleo interno restringido por la variación sísmica” por Daniel A. Frost, Marin Lasplace, Brian Chandler y Barbara Romanovich, 3 de junio de 2021, disponible aquí. ciencias naturales de la tierra.
DOI: 10.1038 / s41561-021-00761-w

Frost y Romanowicz recibieron el apoyo de subvenciones de la National Science Foundation (EAR-1135452, EAR-1829283).