Nueva teoría explica por qué el núcleo interior terrestre no se funde

Girando dentro del núcleo fundido de la Tierra hay una bola de cristal - en realidad una formación masiva de hierro cristalizado casi puro - casi del tamaño de la Luna. La comprensión de esta característica extraña e inobservable de nuestro planeta depende de conocer la estructura atómica de estos cristales - algo que los científicos han estado tratando de hacer durante años.

Como ocurre con todos los metales, las estructuras cristalinas a escala atómica del hierro cambian dependiendo de la temperatura y la presión a la que se expone el metal. Los átomos se empaquetan en variaciones de formaciones cúbicas, así como hexagonales. A temperatura ambiente y presión atmosférica normal, el hierro está en lo que se conoce como una fase cúbica centrada en el cuerpo (BCC), que es una arquitectura de cristal con ocho puntos de esquina y un punto central. Pero a una presión extremadamente alta, las estructuras cristalinas se transforman en formas hexagonales de 12 puntos, o en una fase cerrada (HCP).

En el núcleo de la Tierra, donde la presión es 3,5 millones de veces superior a la presión superficial - y las temperaturas son unos 6000 grados más altas - los científicos han propuesto que la arquitectura atómica del hierro debe ser hexagonal. Si existe hierro BCC en el centro de la Tierra se ha debatido durante los últimos 30 años, y un reciente estudio de 2014 lo descartó, argumentando que sería inestable bajo tales condiciones.

Sin embargo, en un estudio reciente publicado en Nature Geosciences, los investigadores del KTH Royal Institute of Technology de Suecia encontraron que el hierro en el núcleo de la Tierra se presentra de hecho en la fase BCC. Anatoly Belonoshko, investigadora del Departamento de Física de KTH, dice que cuando los investigadores examinaron muestras computacionales de hierro más grandes que las estudiadas anteriormente, las características del hierro BCC que se pensaba que lo hacían inestable terminaban haciendo exactamente lo contrario.

"Bajo condiciones en el núcleo de la Tierra, el hierro en fase BCC exhibe un patrón de difusión atómica nunca antes observado", dice Belonoshko.

Belonoshko dice que los datos también muestran que el hierro puro probablemente representa el 96 por ciento de la composición del núcleo interno, junto con el níquel y posiblemente los elementos ligeros.

Sus conclusiones se basan en simulaciones computacionales laboriosas realizadas con Triolith, uno de los superordenadores suecos más grandes. Estas simulaciones les permitieron reinterpretar observaciones recogidas hace tres años en el Livermore Lawrence National Laboratory en California. "Parece que los datos experimentales que confirman la estabilidad del hierro BCC en el núcleo estaban delante de nosotros - simplemente no sabíamos lo que realmente significaba", dice.

A temperatura baja el BCC es inestable y los planos cristalinos se deslizan fuera de la estructura ideal de BCC. Pero a altas temperaturas, la estabilización de estas estructuras comienza como un juego de cartas, barajando. Belonoshko dice que en el calor extremo del núcleo, los átomos ya no pertenecen a esas estructuras debido a la alta amplitud del movimiento atómico.

"El deslizamiento de estoas estructuras es un poco como barajar una baraja de cartas", explica. "A pesar de que las cartas se colocan en diferentes posiciones, la baraja sigue siendo una baraja. Además, el hierro BCC conserva su estructura cúbica".

Tal aleatorización lleva a un enorme aumento en la distribución de las moléculas y la energía - lo que conduce a la entropía creciente, o la distribución de los estados de energía. Eso, a su vez, hace que el BCC sea estable.

Normalmente, la difusión destruye las estructuras cristalinas convirtiéndolas en líquido. En este caso, la difusión permite que el hierro preserve la estructura BCC. "La fase BCC pasa por el lema:" Lo que no me mata me hace más fuerte ", dice Belonoshko. "La inestabilidad mata la fase BCC a baja temperatura, pero hace que la fase BCC sea estable a alta temperatura".

Dice que esta difusión también explica por qué el núcleo de la Tierra es anisotrópico -es decir, tiene una textura que es direccional- . Esto explica por qué las ondas sísmicas viajan más rápido entre los polos de la Tierra, que a través del ecuador.

"Las características únicas de la fase BCC del hierro, como la auto-difusión a alta temperatura, incluso en un hierro sólido puro, podrían ser responsables de la formación de estructuras anisotrópicas a gran escala necesarias para explicar la anisotropía del núcleo interno de la Tierra", dice. "La difusión permite una texturización fácil del hierro en respuesta a cualquier estrés".

La predicción abre el camino para comprender el interior de la Tierra y, finalmente, para predecir el futuro de la Tierra, dice Belonoshko.