Un nuevo enigma sobre la región D” entre el manto y el núcleo terrestre

El centro de la Tierra es una de las regiones más desconocidas para la ciencia, que sólo podemos explorar gracias a experimentos de laboratorio y estudios sismográficos. A unos 2900 km. de profundidad, la frontera entre el manto y el núcleo se denomina región D” (D doble prima) donde se cree que se generan las plumas de magma en el manto. En esta región se produce un gran cambio térmico, el núcleo está 1000 K más caliente que el manto, junto a un gran cambio en densidad y composición química. Catalli et al. del MIT presentan en Nature un estudio en laboratorio del comportamiento de la materia a las temperaturas y presiones en la región D” demostrando que podría tener entre 400 y 600 km. de grosor, aunque los estudios sismográficos sólo han detectado un grosor de 30 km. Un nuevo enigma sobre esta región. Para los autores, las medidas sismográficas pueden ser más imprecisas de lo que se creía. Se cree que en la región D” el material se encuentra en un estado de transición entre la perovskita MgSiO3, el mineral más abundante en la Tierra, y cierta forma de post-perovskita. Los autores han estudiado esta transición utilizando presiones de 1 Mbar (un millón de veces la presión atmosférica) y temperaturas de 2000 K. A estas temperaturas el uso de celdas de presión con diamante presenta grandes dificultades que los autores han superado con gran alarde técnico. Serán necesarios estudios computacionales que incorporen los resultados del nuevo estudio (la pendiente de Clapeyron obtenida experimentalmente) con objeto de poder entender por qué los estudios sismográficos indican que la región D” es mucho más grueso de lo que se creía. Así avanza la ciencia, a base de misterios y enigmas por resolver. Nos lo cuenta Kanani K. M. Lee, “Earth science: The enigma of D′′,” News and Views, Nature 462: 731-732, 10 December 2009, quien se hace eco del artículo técnico Krystle Catalli, Sang-Heon Shim, Vitali Prakapenka, “Thickness and Clapeyron slope of the post-perovskite boundary,” Nature 462: 782-785, 10 December 2009.

¿Es verdad que el campo magnético se invierte periódicamente? ¿Por qué?

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La película “El núcleo” (“The Core”) de 2003, dirigida por Jon Amiel, nos presenta un escenario apocalíptico debido a que el núcleo interior de la Tierra deja de rotar (en realidad el campo magnético lo genera los movimientos convectivos de la parte externa del núcleo que es “más líquida”) por lo que el campo magnético terrestre empiza rápidamente a desaparecer (mueren personas con marcapasos, las palomas migratorias pierden su orientación, ocurren supertormentas eléctricas en Italia, etc.). Claro, como no, el gobierno americano arregla el mundo “otra vez” mandando un supernavío al interior de la Tierra para con una explosión de una bomba nuclear conseguir que el núcleo vuelva a rotar… el absurdo de lo absurdo… “excavar hacia el centro de la Tierra (!) en una nave diseñada especialmente (!!) construida de material indestructible (!!!), llamado Unobtanium”.

Muchos amigos me preguntaron entonces si era verdad que el núcleo de la Tierra rotaba y que se invertía su giro y que podía llegar “a pararse”, y que … En su momento, años há, cuando aún no existía este blog, traté de contestar a sus preguntas lo mejor que pude… muchos no me entendieron… pero, claro, con unas cervezas en el cuerpo uno explica las cosas de forma “complicada”…

El reciente artículo de divulgación de David Gubbins, “Earth science: Geomagnetic reversals,” Nature 452, 165-167, 13 March 2008, resolverá la mayoría de las dudas de los que todavía duden sobre las inversiones de la polos del campo magnético terrestre (en la figura de arriba tenéis lo que según datos de rocas magnetizadas en estratos de diferente antigüedad han sido las inversiones del campo “más recientes”, la última hace unos 800 mil años hacia el estado que ahora llamamos “normal”).

No sólo el campo magnético de la Tierra cambia periódicamente de polaridad, sino también el de Nuestro Sol, que cambia cada 11 años, más o menos. En algunas estrellas estos cambios de la dirección del campo magnético se dan en ciclos mucho más cortos, por ejemplo, J.-F. Donati et al. “Magnetic cycles of the planet-hosting star τ Bootis,” Monthly Notices of the Royal Astronomical Society, Online Early Articles (2008), han encontrado inversiones con un periodo del orden de 1 año en la estrella tau de la constelación del Boyero (en realidad han observado una inversión entre las observaciones en 2006 y en 2007 y suponen que será un fenómeno periódico, que habrá que confirmar en el futuro).

Pero, volviendo al artículo de David Gubbins: ¿Ha tenido siempre la Tierra campo magnético? Sí, al menos durante los últimos 3000 millones de años, siendo siempre dipolar, con un polo norte y un polo sur (excepto durante los “breves” lapsos en los que se ha producido la inversión como tal), igual que un imán. ¿Quién genera este campo magnético? El núcleo exterior de hierro líquido está continuamente en movimiento convectivo, a velocidades promedio de un milímetro por segundo, y cuando corta las líneas de campo magnético genera un voltaje que refuerza el campo magnético original. Claro no todo el núcleo rota como un sólido, porque es líquido. Las diferentes zonas convectivas rotan en sentidos diferentes (horario y antihorario). El sentido “dominante”, la suma de todos los horarios y antihorarios no siempre da exactamente cero, todo lo contrario, es el que marca la dirección del campo magnético. Periódicamente las zonas “no dominantes” ganan a las “dominantes” y el campo magnético se invierte. Es un fenómeno no lineal que, aunque no se comprende todavía con todo detalle, se sabe que la convección del núcleo externo líquido es muy inestable.

¿Cómo se sabe que la polaridad del campo magnético terrestre se ha invertido en el pasado? Muchas rocas están magnetizadas en la dirección del campo magnético en el momento de su formación. En columnas sedimentarias se observa que esta magnetización cambia alternativamente conforme vamos profundizando (yendo más lejos en el pasado). También se han observados “tiras” magnéticas en la plataforma oceánica cerca de las dorsales oceánicas donde dos placas tectónicas “colisionan”. La “nueva” tierra que emerge en estas dorsales oceánicas queda magnetizada y muestra “tiras” magnéticas alternas en la actualidad. ¿Cuánto dura el proceso de una inversión? “Muy poquito”, unos miles de años. El campo se vuelve cada vez más débil hasta que se vuelve cero (pero como es inestable) y vuelve crecer poco a poco, pero invertido.  ¿Cuál es la periodicidad de las inversiones? Los datos geológicos “hablan” de una inversión cada 300 mil años, en media. La última fue hace 780 mil años. Entre inversiones, el campo a veces realiza una “excursión” al “otro lado” retornando al poco tiempo (un aborto de inversión). ¿Tienen algún patrón la inversiones? Los estudios estadísticos parecen indicar que son completamente aleatorias.

Y la pregunta del millón de dólares (digo, euros) ¿Nos estamos acercando a una nueva inversión? Puede que sí. Desde 1850 el campo magnético dipolar sea debilitado alrededor de un 5% por siglo y datos arqueológicos indican que en la época de los romanos, hace 2000 años, era aún más fuerte. Estos pueden ser indicativos del inicio de una inversión, pero pueden que se queden sólo en un “nuevo” aborto de inversión. No se sabe. Ni los experimentos por ordenador, cada día más precisos, ni los experimentos de laboratorio, parece que son lo suficientemente precisos como para permitirnos dar respuesta segura a esta cuestión.

¿Tiene razón la peli “El núcleo” sobre los efectos de una inversión? Un campo magnético más débil puede debilitar el efecto de apantallamiento de la magnetosfera con lo que aumentará la actividad de las auroras (boreales), habrá problemas en las comunicaciones electrónicas, en las redes de distribución de electricidad, pero se sabe muy poco de los detalles y magnitud de estos efectos. Lo que está claro es que la especie humana ha sobrevivido en el pasado múltiples inversiones por lo que no habrá ningún efecto apocalíptico significativo… o esperemos que para entonces, al menos, lo sepamos con mayor certeza.