El viaje al centro de la Tierra con ticket de retorno de los diamantes

Un equipo de sismólogos ha descubierto diamantes que se han formado con carbono de la superficie de la Tierra y que han viajado a las capas más profundas del manto terrestre para retornar a la superficie como kimberlitas gracias a chimeneas de magma. Un ciclo del carbono en el interior de la Tierra gracias al movimiento convectivo del manto terrestre. Michael Walter, investigador principal del estudio, afirma que han encontrado pequeñas inclusiones minerales (entre 20 y 30 micrómetros de diámetro) en diamantes recogidos en Brasil cuya composición química indica que se formaron en las capas más interiores del manto terrestre. Más aún, el análisis de la composición isotópica del carbono de estos diamantes indica que se formaron en la superficie de la Tierra, viajaron a sus entrañas (entre 660 y 2900 km de profundidad) y retornaron a la superficie. Aunque no es la primera vez que se descubren inclusiones del manto inferior en los diamantes, todas las anteriores tenían composiciones que las vincula con la roca llamada peridotita (la más común en todo el manto terrestre, pero poco común en sus partes más internas). Las nuevas inclusiones en los diamantes permitirán estudiar la dinámica del manto terrestre con nuevos ojos, lo que siempre promete sorpresas. El artículo técnico es M. J. Walter et al., “Deep Mantle Cycling of Oceanic Crust: Evidence from Diamonds and their Mineral Inclusions,” Science Express, September 15 2011.

Estudiando la física de los neutrinos en tu propia cocina con isótopos de silicio radioactivos

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Todavía no está confirmado, pero los neutrinos podrían ser responsables de pequeñas oscilaciones en la tasa de desintegración radioactiva de ciertos isótopos que presentan una fuerte correlación con la distancia de la Tierra al Sol. Cambios en el flujo de neutrinos solares que podrían ser estudiados en cualquier laboratorio de física nuclear. Por supuesto hay críticos. Algunos creen que el efecto es meramente estadístico. Otros que el efecto tiene explicaciones menos astrofísicas. Nos lo cuenta Justin Mullins, “Decay for all seasons,” New Scientist 42-45, 27 June 2009 [“Solar ghosts may haunt Earth’s radioactive atoms,” 30 June 2009], quien por cierto está a favor de que la explicación es la desintegración beta inducida por neutrinos solares. Un laboratorio para estudiar neutrinos que podemos montar con un contador Geiger en cualquiera de nuestras cocinas.

En 1986 Dave Alburger del BNL (Brookhaven National Laboratory, New York) tenía un grave problema. Llevaba 4 años estudiando experimentalmente la vida media de un isótopo radioactivo del silicio 32Si. La curva de desintegración radioactiva teórica es monótona decreciente. Sin embargo, sus resultados experimentalbes presentaban oscilaciones estacionales: la oscilación tenía un máximo en febrero y un mínimo en agosto (curva verde en la figura de arriba). ¿Influye el Sol en la desintegración radioactiva de un isótopo? ¿Error experimental? Sin tener idea decidió publicar sus resultados en un artículo: D.E. Alburger, G. Harbottle, E.F. Norton, “Half-life of 32Si,” Earth and Planetary Science Letters 78: 168-176, June 1986.

¿Se han observado resultados similares en otros isótopos? Lo cierto es que algunos estudios, aunque pocos, han observado efectos similares en otros isótopos radioactivos, aunque con oscilaciones de menor amplitud que podrían ser estrictamente aleatorias. Por ejemplo, Eric B. Normana et al., “Evidence against correlations between nuclear decay rates and Earth–Sun distance,” Astroparticle Physics 31: 135-137, March 2009, que han estudiado evidencia anterior sobre oscilaciones estacionales en la desintegración de los isótopos 22Na, 44Ti, 108Agm, 121Snm, 133Ba, y 241Am, concluyendo que se pueden deber a fluctuaciones aleatorias, no conectadas con el movimiento de la Tierra alrededor del Sol.

Sin embargo, para el algunos isótopos la evidencia de las oscilaciones es suficientemente grande como para que no pueda ser achacada a fluctuaciones, como han mostrado Ephraim Fischbach y Jere Jenkins, de la Purdue University, West Lafayette, Indiana, quienes han estudiado estadísticamente los resultados del BNL y resultados similares publicados en 1998 por un grupo alemán para el 226Ra (PTB en la figura de arriba) confirmando que el resultado está correlacionado con la distancia Tierra-Sol más allá de toda duda. El artículo técnico es Jere H. Jenkins, Ephraim Fischbach, John B. Buncher, John T. Gruenwald, Dennis E. Krause, Joshua J. Mattes, “Evidence of correlations between nuclear decay rates and Earth–Sun distance,” Astroparticle Physics, In Press, Available online 30 May 2009.

¿Qué puede causar estas oscilaciones estacionales en la desintegración radioactiva de ciertos isótopos? Tom Semkow y sus colaboradores han propuesto que fluctuaciones de la temperatura pueden ser responsables de las oscilaciones observadas, en T.M. Semkow et al. “Oscillations in radioactive exponential decay,” Physics Letters B 675: 415-419, 25 May 2009. Han estudiado las oscilaciones en la desintegración radioactiva de los isótopos 226Ra, 32Si y 36Cl, observando que está correlacionada con variaciones en la temperatura de la muestra (en la que influye el Sol solo de forma indirecta).

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La hipótesis más interesante, todavía sin confirmar, pero que parece que es la más gusta a Justin Mullins, es que el flujo de neutrinos solares (que cambia con la distancia Tierra-Sol) induce desintegraciones beta adicionales en las muestras radioactivas estudiadas. Esta hipótesis está sin confirmar. Ya se han diseñado experimentos que podrán confirmar o refutar esta hipótesis. La figura de arriba nos muestra claramente la idea. Requiere pocas palabras.

Quien sabe, quizás en unos años todos podamos hacer experimentos sobre física de neutrinos (solares) como prácticas de laboratorio en un curso de Física Nuclear.

Estimación de la materia oscura en el interior del sistema Tierra-Luna

Los datos cosmológicos actuales parecen indicar que el 23% del universo es materia oscura (el 72% es energía oscura y el resto materia ordinaria). Nadie sabe lo que es la materia oscura, pero los datos del fondo de microondas más recientes del WMAP parecen indicar que está distribuida por todas partes (aunque en algunos sitios hay más y en otros menos). ¿Hay materia oscura en tu propio cuerpo? ¿Hay materia oscura en la Tierra? ¿Hay materia oscura en la Luna? ¿Cuánta materia oscura hay a nuestro alrededor?

Stephen L. Adler, investigador del Institute for Advanced Study, Princeton, Nueva Jersey, EEUU, ha obtenido un límite superior a la masa de la materia oscura que nos rodea en “Placing direct limits on the mass of earth-bound dark matter,” Journal of Physics A: Mathematical and Theoretical, 41: 412002, 2008 [ArXiv preprint]. Para ello ha estimado la masa de la Tierra (incluyendo la materia oscura que pueda incluir) así como la masa dentro de la órbita de la Luna alrededor de la Tierra (básicamente usando los datos del satélite LAGEOS). Restando ambos valores estima que la masa de la materia oscura contenida en la órbita de la Luna es menor que 4 milmillonésimas de la masa de la Tierra, es decir, menor que 1500 billones de kilogramos. 

El artículo acaba con una nota en la que se afirma que Gary Gibbons propone una explicación alternativa a los datos obtenidos por LAGEOS. Si no hay materia oscura en el sistema Tierra-Luna, los datos del satélite LAGEOS pueden interpretarse como un límite para las posibles variaciones de la “constante” de gravitación universal de Newton (efectos no newtonianos en la gravedad). La constante de graviatación universal cambia menos de 40 millonésimas por ciento entre el radio de la órbita del satélite LAGEOS y la órbita de la Luna.

¿Es estable el Sistema Solar? (o Mercurio y Venus colisionarán, y Marte abandonará el Sistema Solar, según simulaciones numéricas)

¿Cómo puede evolucionar el Sistema Solar en el futuro? ¿Cuáles son las posibilidades de que los planetas sufran una inestabilidad orbital antes de que el Sol se vuelva una estrella gigante roja y destruya la Tierra? En tres palabras: alrededor del 1%. Así se indica en el artículo de Konstantin Batygin, Gregory Laughlin, “On the Dynamical Stability of the Solar System,” ArXiv preprint, 11 Apr 2008. El artículo es técnico, pero está magistralmente comentado en (el blog del propio Laughlin) “It won’t last forever…,” que resume los puntos más importantes del trabajo de Batygin sobre la estabilidad a largo plazo del Sistema Solar y sobre todo de su motivación (Konstantin es el alumno y Gregory el profesor).

La respuesta a estas preguntas requiere estudiar numéricamente la evolución de los 8 planetas (no se tienen en cuenta los planetas enanos ni demás cuerpos de menor tamaño) en integraciones de largo tiempo. Hoy en día, cualquier ordenador PC permite realizar simulaciones de los 8 planetas en tiempos más largos que la vida del Sol (antes de que se convierte en gigante roja, dentro de unos 6 mil millones de años) y Batygin lo ha hecho para los próximos 24 mil millones de años (mucho más allá de lo necesario). La siguiente figura muestra la excentricidad de la órbita terrestre durante los próximos 20 mil millones de años, mostrando que su órbita prácticamente no cambia (variaciones entre e=0 y e=0.07). Un resultado claramente aburrido.

Las simulaciones numéricas desarrolladas por Batygin incluyen la adición de un término perturbativo singular, desarrollado previamente por Laskar gracias al análisis de la simulación hacia atrás en el tiempo (técnica de análisis de bifurcaciones para sistemas “caóticos” hamiltonianos), que permite modelar mejor la existencia de resonancias entre el movimiento de los planetas. En concreto una resonancia entre Mercurio y Júpiter, mediada por Venus, conduce a un comportamiento de Mercurio muy errático. Como vemos en esta figura.

Este comportamiento conduce a interesantes sorpresas. En una simulación Mercurio cae en el Sol dentro de 1261 millones de años (Ma). En otra, Mercurio y Venus colisionan dentro de unos 862 Ma, tras la eyección de Marte fuera del Sistema Solar dentro de 822 Ma. (como vemos en la figura de abajo). En todas las simulaciones Júpiter, Saturno, Urano y Neptuno se mantendrán estables.

Más en broma que en serio, semiramis nos recuerda que “Venus no soporta que Mercurio (dios mensajero) le chive sus idilios a Marte (amante de la primera pero también cornudo) y razón por la cual éste último se pira del sistema solar. ¿Y para esa conclusión tanto cálculo numérico?”.

PS (5 ene 2013): Una versión actualizada de esta entrada, que merece la pena leer: Daniel Marín, “¿Puede Marte chocar contra la Tierra?,” Eureka, Ene. 03, 2013.

¿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.