El campo magnético global de la Tierra juega un papel vital en nuestra vida cotidiana, protegiéndonos de la radiación solar dañina. El campo magnético, que ha existido durante miles de millones de años, es causado por una dinamo—o generador—dentro del hierro en su mayoría fundido en el interior de la tierra; este hierro líquido se agita en un proceso llamado convección. Pero la convección no ocurre por sí sola. Necesita una fuerza impulsora, una fuente de energía. Ahora, el estudiante graduado Joseph O’Rourke y David Stevenson, Profesor de Ciencias Planetarias Marvin L. Goldberger de Caltech, han propuesto un nuevo mecanismo que puede alimentar esta convección en el interior de la tierra para toda la historia de la tierra.
Un artículo que detalla los hallazgos aparece en la edición del 21 de enero de Nature.
La convección se puede ver en fenómenos cotidianos como una olla de agua hirviendo. El calor en el fondo de la olla hace que las bolsas de líquido se vuelvan menos densas que el líquido circundante y, por lo tanto, aumenten. Cuando llegan a la superficie, las bolsas de líquido se enfrían y se hunden de nuevo. Este mismo proceso ocurre en la capa de metal fundido de 1,400 millas de espesor que forma el núcleo exterior.
La tierra consiste principalmente en el manto (material sólido hecho de óxidos y silicatos en el que el magnesio es prominente) y el núcleo (principalmente hierro). Estas dos regiones generalmente se consideran completamente separadas; es decir, los materiales del manto no se disuelven en los materiales del núcleo. No se mezclan a nivel atómico, al igual que el agua no suele mezclarse con el aceite. El núcleo tiene una parte interna sólida que ha ido creciendo lentamente a lo largo de la historia de la tierra, a medida que el hierro líquido en el interior del planeta se solidifica. La parte líquida externa del núcleo es una capa de hierro fundido mezclado con otros elementos, como silicio, oxígeno, níquel y una pequeña cantidad de magnesio. Stevenson y O’Rourke proponen que la transferencia del elemento magnesio en forma de minerales del manto desde el núcleo exterior a la base del manto es el mecanismo que impulsa la convección.
El Magneisum es un elemento importante en el manto, pero tiene baja solubilidad en el núcleo de hierro, excepto a temperaturas muy altas, por encima de los 7,200 grados Fahrenheit. A medida que el núcleo de la tierra se enfría, los óxidos de magnesio y los silicatos de magnesio se cristalizan del núcleo exterior líquido metálico, de la misma manera que el azúcar que se ha disuelto en agua caliente se precipitará como cristales de azúcar cuando el agua se enfríe. Debido a que estos cristales son menos densos que el hierro, se elevan a la base del manto. El metal líquido más pesado que queda se hunde, y este movimiento, argumenta Stevenson, puede ser el mecanismo que ha sostenido la convección durante más de tres mil millones de años, el mecanismo que a su vez alimenta el campo magnético global.
«La precipitación de minerales que contienen magnesio del núcleo externo es 10 veces más efectiva para impulsar la convección que el crecimiento del núcleo interno», dice O’Rourke. «Estos minerales son muy flotantes y los movimientos fluidos resultantes pueden transportar calor de manera efectiva. El núcleo solo necesita precipitar hacia arriba una capa de minerales de magnesio de 10 kilómetros de espesor, lo que parece mucho, pero no es mucho en la escala de los núcleos internos y externos, para impulsar la convección del núcleo externo.»
Los modelos anteriores asumían que el enfriamiento constante del hierro en el núcleo interno liberaría calor que podría alimentar la convección. Pero la mayoría de las mediciones y teorías de los últimos años sobre la conductividad térmica del hierro, la propiedad que determina la eficiencia con la que el calor puede fluir a través de un metal, indican que el metal puede transferir calor fácilmente sin sufrir movimiento. «Calentar el hierro en la parte inferior del núcleo exterior no hará que se eleve flotantemente, solo disipará el calor a su entorno», dice O’Rourke.
«Dave tuvo la idea de una dinamo con magnesio durante un tiempo, pero se suponía que no habría magnesio en el núcleo de la Tierra», dice O’Rourke. «Ahora, los modelos de formación planetaria en el sistema solar temprano están mostrando que la Tierra sufrió impactos frecuentes con cuerpos planetarios gigantes. Si ocurrieran estos eventos violentos y energéticos, la Tierra habría estado experimentando temperaturas mucho más altas durante su formación de lo que se pensaba anteriormente, temperaturas que habrían sido lo suficientemente altas como para permitir que algo de magnesio se mezclara en hierro metálico líquido.»
Estos modelos hicieron posible perseguir la idea de que la dinamo puede ser alimentada por la precipitación de minerales que contienen magnesio. O’Rourke calculó que las cantidades de magnesio que se habrían disuelto en el núcleo durante las primeras etapas calientes de la Tierra habrían causado otros cambios en la composición del manto que son consistentes con otros modelos y mediciones. También calculó que la precipitación de estos minerales de magnesio tendría suficiente energía para alimentar la dinamo durante cuatro mil millones de años.
La verificación experimental de la cantidad de magnesio que puede entrar en el núcleo todavía es escasa, dicen O’Rourke y Stevenson. «Otras aplicaciones de nuestro mecanismo propuesto incluyen Venus, donde no hay campo magnético, y los abundantes exoplanetas que son más masivos que la Tierra, pero que pueden tener composiciones químicas similares», dice Stevenson.