revelando los secretos de la Tierra Bajo presión
• El núcleo de la Tierra está en el asiento caliente
• rehaciendo un planeta un átomo a la vez
• La exploración de Venus comienza en el laboratorio
• reflexionando sobre Medio Siglo de física de minerales y rocas en agu
• Una inmersión en la tierra profunda
la investigación emergente de experimentos de alta presión y alta temperatura sugiere que el núcleo interno de la tierra podría ser un «bebé Planetario» de poco menos de mil millones de años, más joven que los océanos, la atmósfera y los habitantes de la tierra.,
estos hallazgos representan un giro drástico de cómo los científicos pensaron que el núcleo interno de la Tierra progresó desde sus inicios fundidos hasta hoy, y una fuente de un debate contencioso entre los geocientíficos.
la incertidumbre radica en mediciones conflictivas de las propiedades fundamentales del metal. No está claro cuán eficientemente el hierro y las aleaciones de hierro conducen el calor dentro del núcleo, lo que dificulta que los investigadores describan cómo el núcleo se ha enfriado con el tiempo. Los físicos minerales, geofísicos, físicos de materia condensada y dinamicistas están tratando de encontrar una respuesta.,
«es un momento muy provocativo en este momento, yo diría, en términos de estudios básicos», dijo Quentin Williams, profesor de Ciencias de la Tierra y Planetarias en la Universidad de California, Santa Cruz.
en la última década, los científicos han inventado nuevas formas de exprimir muestras de metal a presiones extremas mientras disparan láseres para calentar las muestras a temperaturas tan calientes como la superficie del Sol. Los experimentos son difíciles, sin embargo, y un consenso es difícil de alcanzar., En el mismo número de la revista Nature, junio de 2016, dos equipos de investigación publicaron los resultados de experimentos separados de alta presión y alta temperatura—con resultados drásticamente diferentes.
«es un tema muy importante porque es básicamente la condición límite para la historia térmica de la Tierra», dijo Ronald Cohen, investigador del Carnegie Institution for Science en Washington, D. C., La respuesta podría reescribir nuestra comprensión de la historia de la Tierra, allanando el camino para descubrimientos en la dinámica de la tierra en la superficie, como el vulcanismo y la tectónica de placas, y ayudando a elucidar mundos lejanos.
El generador eléctrico de la Tierra
«creo que todo el mundo está de acuerdo en que tanto el manto como el núcleo se están enfriando», dijo Peter Olson, profesor adjunto de Ciencias de la Tierra y Planetarias en la Universidad de Nuevo México. «Lo que nos gustaría saber mejor es qué tan rápido.,»
el núcleo de la Tierra está hecho en gran parte de hierro, y se divide en dos partes: una pequeña bola cristalizada de hierro endurecido en el Centro de la Tierra, llamada el núcleo interno, y un núcleo externo líquido que rodea el núcleo interno con una «masa ondulante de metal fundido», dijo Williams. Los científicos han formulado hipótesis sobre los núcleos de hierro internos y externos desde el siglo XIX sobre la base de la composición de los meteoritos.
podemos agradecer al núcleo por la floreciente vida en la Tierra., La convección en el núcleo exterior sostiene el campo magnético que nos protege de la radiación solar dura y mantiene nuestra atmósfera intacta. A medida que el hierro líquido fluye a través de un campo magnético débil, crea una corriente eléctrica dentro del planeta. A su vez, esta corriente induce un campo magnético secundario, que induce aún más una corriente dentro del núcleo. Este bucle crea un generador eléctrico de tamaño planetario en el corazón de nuestro planeta llamado geodynamo.,
Los investigadores asumieron que el núcleo interno debe ser muy antiguo porque las investigaciones que se remontan a décadas encontraron huellas dactilares del geodinamo en las rocas sobrevivientes más antiguas de la tierra, que datan de casi 4 mil millones de años.
y de hecho, la idea de un viejo núcleo interno «sonaba razonable», dijo Kei Hirose, profesor de geofísica en la Universidad de Tokio y director del Instituto de Ciencias de la vida-Tierra en el Instituto de tecnología de Tokio. Marcó la casilla importante: un viejo núcleo interno alimentó el geodynamo durante miles de millones de años impulsando la convección térmica en el núcleo externo.,
la metalurgia presta una mano
pero Hirose notó que pocas personas habían medido la conductividad térmica del hierro en condiciones extremas, y los pocos estudios que se habían completado, utilizando experimentos de ondas de choque, tenían grandes incertidumbres y no eran fácilmente reproducibles. La conductividad térmica podría ser un valor crucial para fijar la dinámica del núcleo: el núcleo se enfría a través de la convección y la conducción, y la velocidad con la que conduce el calor controla la cantidad de calor que queda para impulsar la convección.,
la literatura científica enumeró valores para la conductividad, pero los valores eran «altamente especulativos», dijo Hirose. Así que en su lugar, el equipo recurrió a la investigación de un campo diferente de una ciencia basada en civilizaciones antiguas: la metalurgia. La metalurgia es el estudio de los metales, y sus inicios se remontan a los primeros asentamientos humanos cuando la forja de metales era el boleto para fortificar ejércitos. La metalurgia vive hoy en día como una rama de la ciencia de los materiales encargada del procesamiento de minerales y metales.
«tal literatura no era conocida en la comunidad geocientífica», dijo Hirose., Peinando a través de papeles de metalurgia y realizando experimentos de alta temperatura en el laboratorio, el equipo de Hirose concluyó que las relaciones asumidas entre la resistividad eléctrica y el hierro se rompían a altas temperaturas, lo que sugiere que la conductividad térmica del hierro era en realidad bastante alta. Si sus hallazgos eran correctos, el núcleo se estaba enfriando muy, muy rápidamente.
el hallazgo «rompió todos los modelos», dijo John Hernlund, profesor y subdirector del Earth-Life Science Institute., Hernlund, Hirose y otros escribieron los hallazgos en un artículo de bombshell en 2013 que «creó un terremoto virtual en la comunidad Geofísica», dijo Hernlund.
en una perspectiva publicada en la revista Science a finales de ese año, Olson llamó a la edición la «nueva paradoja Central.»Si el núcleo se está enfriando mucho más rápido de lo que pensábamos,» la mejor manera de evitar esta paradoja es pensar más allá del modelo estándar de la evolución del núcleo», escribió Olson. Si el núcleo interno era, de hecho, muy joven, los investigadores necesitaban explicar mejor cómo se impulsa el geodynamo.,
trabajo de laboratorio revestido de diamantes
El artículo científico provocó una ráfaga de nuevos experimentos e investigación en teoría.
los dos artículos publicados en el mismo número de Nature en 2016 mostraron enfoques experimentales sobre la fijación del comportamiento térmico del núcleo.
los autores de ambos trabajos utilizaron células de yunque de diamante, un dispositivo de laboratorio de alta presión. Las celdas contienen dos diamantes, pulidos perfectamente en conos con sus puntas rasuradas. Los científicos colocan una delgada rebanada de hierro—no más gruesa que un cabello humano—entre las puntas de los diamantes.
durante décadas, los científicos han aprovechado el mineral más duro de la Tierra, el diamante, para experimentos de laboratorio., Ningún otro mineral puede rayarlo, y cuando dos diamantes opuestos están perfectamente alineados, pueden pellizcar una rebanada de hierro a presiones mucho mayores que las del núcleo de la Tierra.Hirose, quien frecuentemente usaba células de yunque de diamante en el laboratorio, dijo que a pesar de que los diamantes son fuertes, la más mínima variación en la forma puede hacer que se agrieten bajo altas presiones. Pulidores expertos alisan los lados de los diamantes a menos de 1 micrómetro, el ancho de una pequeña bacteria. Hirose llamó a un técnico particularmente hábil «nuestro tesoro», porque pocos pueden lograr tal precisión.,
Los diamantes también tienen otra ventaja: los investigadores pueden disparar láseres a través de sus lados translúcidos para enviar un pulso de calor a la muestra. Ambos estudios utilizaron láseres para calentar sus muestras a miles de Kelvin.
A Tale of Two Papers
en uno de los experimentos de yunque de diamante, un equipo en Washington, D. C., midió la conductividad térmica del hierro usando dos láseres para calentar rápidamente la muestra y medir su cambio de temperatura inferido.,
en el otro experimento, un equipo de investigación diferente con sede en Tokio midió la conductividad eléctrica del hierro, una propiedad estrechamente relacionada con la conductividad térmica, y luego utilizó una relación empírica para calcular la conductividad térmica.
los trabajos encontraron resultados contradictorios, y sus discrepancias revelan cuán difíciles pueden ser los experimentos de alta presión. El grupo de Tokio propuso un valor de conductividad térmica de 88 (+29/-13) vatios por metro kelvin en el límite núcleo-manto, mientras que el grupo de Washington, D. C., propuso 25 (±7) vatios por metro kelvin., La disparidad en los valores puede parecer pequeña, pero podría significar la diferencia entre un núcleo interno que tiene miles de millones de años y un recién llegado a la estructura interna de la Tierra.
las diferencias experimentales «pueden tener que ver con la orientación de cristal preferida en las muestras», dijo Stewart McWilliams, investigador de la Universidad de Edimburgo y coautor del estudio del equipo con sede en Washington, DC.,Hirose, quien dirigió el equipo en Japón, estuvo de acuerdo en que la presión utilizada para comprimir las muestras afectaría la orientación de los granos de cristal en hierro, y los dos equipos habían tomado medidas perpendiculares entre sí.Stewart dijo que él y otros ahora se están enfocando en modelar los errores sistemáticos en los experimentos que podrían sesgar las mediciones. Estos errores» van un poco lejos » en la explicación de las discrepancias, «pero no lo suficiente», dijo.
El tiempo dirá si un término medio es la respuesta., Quentin Williams, quien no participó en ninguno de los estudios y publicó una revisión de la investigación de conductividad térmica en la revista annual Reviews of Earth and Planetary Sciences, escribió que » sin embargo, al reconocer que las afirmaciones intermedias son altamente hazardous…it no sería sorprendente (para este autor) si los valores de conductividad térmica, con refinamientos teóricos y experimentales mejorados, finalmente convergieran a valores dentro de un amplio rango de 35 a 80 vatios por metro kelvin en las condiciones de la parte superior del núcleo exterior.,»
a Compositional Compromise
When Earth coalesced from a homogenous rubble pile into its differentiated, layered state, its material separated by density. El material flotante como el agua, el aire y los silicatos se quedaron en la parte superior y en el medio, y el material denso como el hierro se hundió hasta el centro.
pero según la Investigación Sísmica que se remonta a mediados del siglo 20, el núcleo de la Tierra no es hierro puro., Las mediciones sísmicas muestran que es aproximadamente un 10% menos denso que el hierro puro y está compuesto de aleaciones que probablemente incluyen níquel y alguna receta especial de elementos más ligeros, tal vez silicio, oxígeno, magnesio y carbono.
esto podría ser una buena noticia para la paradoja central, sin embargo. La presencia de elementos más ligeros puede impulsar la convección en el núcleo, dando al geodinamo una fuente de convección incluso si la convección térmica es demasiado débil. Si los elementos más ligeros causan convección, esta fuente de flotabilidad da una solución a la paradoja Central.,
Cohen, Hirose y muchos otros están investigando el efecto de elementos más ligeros en el transporte de calor en el núcleo. «Es una pregunta totalmente abierta», dijo Hirose.
nuevos estudios de seguimiento también están subiendo la apuesta. Kenji Ohta, Profesor Asociado en Ciencias de la Tierra y Planetarias en el Instituto de tecnología de Tokio, dijo que su laboratorio está explorando una manera de derretir muestras a altas temperaturas y presiones, algo que lleva a los científicos un paso más cerca de imitar el núcleo exterior líquido de la Tierra. Los estudios anteriores se han llevado a cabo, en su mayor parte, en muestras sólidas.,
«esto es algo emocionante», dijo Williams sobre la carrera para encontrar una respuesta. La cuestión del núcleo y la evolución térmica de la Tierra » planteará un desafío para los próximos 15 años para la comunidad.»
«es el tema central en la evolución de la Tierra y la evolución de nuestro campo magnético», agregó Williams. «Es algo que en última instancia solo tiene que ser resuelto. Y así, cuando se plantean desafíos como este a la comunidad, a veces se responden lentamente porque obtener una buena respuesta es difícil. Pero en última instancia, serán respondidas. Soy muy optimista al respecto.,»
—Jenessa Duncombe (@jrdscience), escritora
agradecimientos
Eos agradece a nuestro asesor científico Sébastien Merkel, física de rocas y minerales, por ayudar a desarrollar nuestro tema especial de julio sobre experimentos de alta presión y alta temperatura, que incluye este artículo.