¿Qué pasa en el centro de la Tierra?

El viaje es imposible, pero el análisis de materiales volcánicos, componentes de meteoritos y estudios sismológicos permiten hacer simulaciones computarizadas sobre los fenómenos del corazón del mundo.

Carlos Pinilla, doctor en física y geociencia.
Carlos Pinilla, doctor en física y geociencia.

Imagine ser pisoteado por una fuerza semejante a la de 600 mil elefantes al mismo tiempo, mientras usted soporta una temperatura superior a la de la superficie del Sol, que es aproximadamente 5.500 grados centígrados. Un lugar tan desconocido para el hombre como la estrella más lejana del universo, pero cuya formación y composición son de vital importancia para entender el pasado, presente y futuro de nuestro planeta. Pero, ¿cómo llegar ahí para realizar investigación científica?

Taladrar un hueco para alcanzar el núcleo de la Tierra y estudiar estos elementos es una tarea descabellada y quizás imposible. El hueco más profundo realizado por el hombre se encuentra en la península de Kola, en Rusia, y solo alcanza 12 kilómetros, mientras que la corteza terrestre tiene un grosor de 30 a 50 km.

Tendríamos que atravesar otros 5.000 km para encontrarnos con el núcleo de nuestro planeta, una esfera densa y sólida de 2.400 km de diámetro, donde las temperaturas superan los 5.000 grados centígrados, y que está compuesta en su mayoría de hierro.

Pero si los físicos teóricos han sido capaces de formular teorías sobre el comportamiento del universo más recóndito e inimaginable para el hombre, ¿por qué no podrían hacerlo de forma parecida para estudiar el centro de nuestro planeta? Científicos como Carlos Pinilla, profesor de la Universidad del Norte y doctor en física y geociencia, han recurrido al uso de simulaciones computacionales para dar un vistazo a los fenómenos que ocurren en el centro de la Tierra y a las propiedades de los elementos que lo componen.

Una puerta a lo inalcanzable

La simulación es una manera fundamental de comprender sistemas o fenómenos complejos que complementan los métodos tradicionales teóricos y experimentales, y permiten hacer accesible lo inaccesible. Técnicamente no existen problemas para simular sistemas con millones de atmósferas de presión, miles de grados de temperatura o incluso radiación intensa.

Estos modelos computacionales no son más que la descripción simplificada de un fenómeno real, descompuesto en sus elementos esenciales, lo que permite comprender los mecanismos asociados con el fenómeno que se desea estudiar.

Durante una visita a su laboratorio, Pinilla, miembro del grupo de investigación en simulación computacional de materiales de la Universidad del Norte, explica que para realizar una simulación de los materiales presentes en el manto de la Tierra hay que saber qué tipo de elementos están presentes en esa región del planeta. Esto se obtiene luego de analizar los elementos que han expulsado los volcanes y mediante el estudio de las propiedades previamente conocidas de los materiales para determinar cuáles podrían resistir altas presiones y temperaturas, y permanecer sólidos.

Según Pinilla, el análisis sismológico es otra buena herramienta. “Toma un cristal, por ejemplo. Un terremoto no es más que una onda que pasa por ese cristal y se propaga. Dependiendo de la velocidad de propagación se puede saber qué elementos deberían estar presentes”.

Los meteoritos que caen en la Tierra también contienen materiales que conforman el interior del planeta, teniendo en cuenta que la Tierra se formó por cuerpos celestes que se fueron aglomerando. “Ya sabemos que el manto tiene una gran cantidad de magnesio, oxígeno, silicio y aluminio. Ahora debemos estudiar la presión y la temperatura a la que deberían estar, para encontrar las fases (estados) de los elementos”, añade.

Esto se puede consignar a través de diagramas de fases que registran en qué estado se encuentra un elemento dependiendo de los valores en los vectores de presión y temperatura. En esta ocasión Pinilla está interesado en presiones más allá del manto de la Tierra, de más de 140 gigapascales (1’400.000 atmósferas).

Hay varias formas de realizar esta simulación. Una de estas es a través de una “celda” de diamantes, el material más fuerte de la naturaleza. Una pequeña muestra se coloca entre dos diamantes muy pequeños, en las puntas de dos yunques (prisma de hierro) que ejercen presión entre sí, alcanzando una compresión de hasta 200 gigapascales (gp). La temperatura se simula aplicando un láser con una longitud característica para la absorción de energía, que se manifiesta en forma de calor y el aumento de la temperatura de la muestra entre los dos diamantes.

“Aquí vas comprimiendo a la vez que manda una onda de rayos X, que al otro lado emite un patrón a una especie de negativo de una cámara fotográfica, lo que nos puede mostrar cómo están dispuestos los átomos y cómo cambia la estructura con las presiones”, explica Pinilla.

Otro tipo de experimento más reciente busca simular presiones mayores a la de la celda de diamantes. Es conocido como “compresión de ondas de shock”. Por medio de un cañón especial se lanza un proyectil contra el material a una alta velocidad. Estas ondas de choque se pueden estudiar para conocer la respuesta de los materiales a las altas presiones que produce el proyectil al impactar.

“Puedo hacer un modelo que tiene del orden de dos mil átomos y correrlo en esta maquinita”, comenta Pinilla señalando su computador de oficina. “No es tan preciso como hacer esto utilizando mecánica cuántica, lo que es más costoso, pero utilizando una computadora pequeña, basado en la mecánica clásica que uno aprende en ingeniería en segundo semestre —las leyes de Newton—, las interacciones entre átomos me pueden describir propiedades físicas del sistema real”.

Pinilla utiliza lo que se conoce como el método de coexistencia. Pone un elemento en dos fases distintas y deja que la naturaleza misma (como se programó en el simulador computacional) escoja cuál de las dos fases es la más estable en ciertas condiciones. “Uno puede explicar cuál será la fase del hierro que está en el núcleo de la Tierra, haciendo algo exactamente igual”, agrega.

El núcleo

De acuerdo con Pinilla, el 80 % del núcleo está conformado por hierro, donde su exterior es líquido y su interior sólido. La composición del otro 20 % no se conoce con certeza.

Sometido a la presión de la atmósfera de la Tierra, y dependiendo de la temperatura, el hierro se puede encontrar principalmente en las siguientes formas: hierro alfa o ferrita, que es estable en temperaturas hasta de 911 grados centígrados y es utilizado en la fabricación de imanes; hierro gamma o austenita, estable en temperaturas entre 900 y 1400 grados, utilizado en aleaciones de acero inoxidable que son empleadas para equipos de hospital y utensilios de cocina; y hierro delta, de similar estructura al alfa, que es estable desde los 1.400 grados hasta y el punto de fundición del hierro (1.538 grados).

En presiones muy altas existe una cuarta forma estable: épsilon o HCP, que es básicamente el hierro alfa sometido a una presión de 10 gp o más alta y que se presume que es la fase del hierro en el núcleo. Incluso se ha estimado que otra forma estable podría existir a presiones de 50 gp y 1.200 grados centígrados. “Los métodos computarizados nos permiten saber cuál es la fase que está en el núcleo. Y nos permiten ir más allá: saber si es una fase conductora de electricidad”, asegura Pinilla.

Gracias a que hay hierro en una parte líquida del núcleo, y el hierro es un conductor, esto produce una corriente, debido a un proceso llamado convección, que se da por la diferencia de temperatura entre el manto y la parte externa líquida del núcleo. Esa corriente eléctrica genera el campo magnético de la Tierra.

Hasta ahora se sabe que el núcleo interno es una fase sólida de hierro. A través de la sismología se ha determinado que debe haber alguna clase de sólido en su interior, pues las ondas sísmicas se desvían. Del núcleo externo se dice que es líquido con alguna proporción de oxígeno, silicio y azufre. “Se cree que el 20 % restante de elementos podría incluir aluminio, sulfuro y silicio, porque el espectro sismológico no concuerda exactamente con el que uno tendría si se tratase de solo hierro”, puntualiza Pinilla.

Los modelos para Pinilla son profundamente importantes para estudiar de forma continua la evolución del planeta, aun cuando la experimentación sea difícil de realizar. “Esos valores no son nada comparados con los valores reales. Pero existe bastante vacío sobre datos que no se conocen y los métodos computacionales nos pueden seguir dando la posibilidad de contribuir”. Ello por lo menos, hasta que alguien invente una cápsula que permita viajar al espacio interior de la Tierra.

 

* Periodista Uninorte. Este reportaje fue publicado inicialmente en la revista Intellecta de la misma universidad.