Investigadores de la Universidad de Utah han descubierto que el núcleo interno de la Tierra no es una masa homogénea, sino un tapiz complejo de diferentes tejidos. Los hallazgos, publicados en Nature, provienen de datos sísmicos de terremotos e instrumentos de detección de CTBTO. Sugieren que el núcleo interno inicialmente creció rápidamente, se desaceleró con el tiempo y puede tener hierro líquido atrapado en su interior.

En el centro de la Tierra hay una bola de metal sólido, una especie de «planeta dentro de un planeta», cuya existencia hace posible la vida en la superficie, al menos tal como la conocemos.

Cómo se formó, creció y evolucionó el núcleo interno de la Tierra con el tiempo sigue siendo un misterio, que un equipo de investigadores dirigido por la Universidad de Utah está tratando de investigar con la ayuda de ondas sísmicas de terremotos naturales. Aunque esta esfera, de 2.442 kilómetros de diámetro, representa menos del 1% del volumen total de la Tierra, su existencia es la responsable del campo magnético del planeta, sin el cual el planeta sería un lugar muy diferente.

Pero el núcleo interno no es la masa homogénea que alguna vez supusieron los científicos, sino más bien un tapiz de diferentes «tejidos», según Guanning Pang, ex estudiante de doctorado en el Departamento de Geología y Geofísica de la Universidad de Utah.

«Por primera vez, hemos confirmado que este tipo de heterogeneidad está en todas partes dentro del núcleo interno», dijo Pang. Ahora, investigadora posdoctoral en la Universidad de Cornell, Pang es la autora principal de un nuevo estudio, publicado el 5 de julio en la revista Naturaleza que abre una ventana a las profundidades de la Tierra. Realizó el estudio como parte de su tesis doctoral en Utah.

La otra última frontera

«El propósito de nuestro estudio era mirar dentro del núcleo interno», dijo el sismólogo Keith Koper de la Universidad de Utah, quien supervisó el estudio. “Es como una zona fronteriza. Siempre que quieras crear una imagen del interior de algo, debes eliminar los efectos de superficie. Así que ese es el lugar más difícil de imaginar, la parte más profunda, y todavía hay cosas que no sabes al respecto”.

Esta encuesta aprovechó un conjunto de datos especial generado por una red global de conjuntos sísmicos configurados para detectar explosiones nucleares. En 1996, las Naciones Unidas establecieron la Comisión Preparatoria de la Organización del Tratado de Prohibición Completa de los Ensayos Nucleares, CTBTOpara garantizar el cumplimiento del tratado internacional que prohíbe tales explosiones.

El profesor de geología Keith Koper dirige las Estaciones Sismográficas de la Universidad de Utah. Crédito: Universidad de Utah

Su pieza central es el Sistema Internacional de Monitoreo (IMS), que presenta cuatro sistemas para detectar explosiones utilizando instrumentos de detección avanzados ubicados en todo el mundo. Aunque su objetivo es hacer cumplir una prohibición internacional de las detonaciones nucleares, han producido tesoros ocultos de datos que los científicos pueden usar para arrojar nueva luz sobre lo que está sucediendo dentro de la Tierra, en los océanos y en la atmósfera.

Esos datos facilitaron la investigación que iluminó las explosiones de meteoritos, identificó una colonia de ballenas azules pigmeas, pronosticó el tiempo y proporcionó información sobre cómo se forman los icebergs.

Aunque la superficie de la Tierra ha sido completamente cartografiada y caracterizada, su interior es mucho más difícil de estudiar ya que no se puede acceder a él directamente. Las mejores herramientas para detectar este reino oculto son las ondas sísmicas de los terremotos que se propagan desde la delgada corteza del planeta y vibran a través de su manto rocoso y su núcleo metálico.

“El planeta se formó a partir de asteroides que se estaban acumulando [in space]. Están chocando entre sí y generas mucha energía. Así que todo el planeta, cuando se está formando, se está derritiendo», dijo Koper. “En pocas palabras, el hierro es más pesado y obtienes lo que llamamos formación de núcleo. Los metales se hunden en el medio y la roca líquida está en el exterior y luego básicamente se congela con el tiempo. La razón por la que todos los metales están ahí abajo es porque son más pesados ​​que las rocas”.

Un planeta dentro de un planeta

En los últimos años, el laboratorio de Koper ha estado analizando datos sísmicos sensibles del núcleo interno. Un estudio previodirigido por Pang, identificó variaciones entre la rotación de la Tierra y el núcleo interno que pueden haber provocado un cambio en la duración del día entre 2001 y 2003.

El núcleo de la Tierra, que mide alrededor de 4300 millas de diámetro, está compuesto principalmente de hierro y algo de níquel, junto con algunos otros elementos. El núcleo exterior permanece líquido, rodeando al núcleo interior sólido.

Las Estaciones Sismográficas ubicadas en el campus de la U registran los movimientos de tierra. Crédito: Dave Titensor/Universidad de Utah

«Es como un planeta dentro de otro planeta que tiene su propia rotación y está desacoplado por este gran océano de hierro fundido», dijo Koper, profesor de geología que dirige el Estaciones de sismógrafos de la Universidad de Utah.

El campo protector de energía magnética alrededor de la Tierra es creado por la convección que ocurre dentro del núcleo exterior líquido, que se extiende 2260 kilómetros (1795 millas) por encima del núcleo sólido, dijo. El metal fundido se eleva por encima del núcleo interno sólido, se enfría a medida que se acerca al manto rocoso de la Tierra y se hunde. Esta circulación genera las bandas de electrones que rodean al planeta. Sin un núcleo interno sólido, este campo sería mucho más débil y la superficie planetaria sería bombardeada con radiación y vientos solares que destruirían la atmósfera y dejarían la superficie inhabitable.

Para el nuevo estudio, el equipo de la Universidad de Utah analizó los datos sísmicos registrados por 20 conjuntos de sismómetros colocados en todo el mundo, incluidos dos en la Antártida. El más cercano a Utah está fuera de Pinedale, Wyoming. Estos instrumentos se insertan en pozos perforados hasta 10 metros en formaciones de granito y se organizan en patrones para concentrar las señales que reciben, de manera similar a cómo funcionan las antenas parabólicas.

Pang analizó las ondas sísmicas de 2455 terremotos, todos de magnitud superior a 5,7, o aproximadamente la fuerza del terremoto de 2020 que sacudió Salt Lake City. La forma en que estas ondas rebotaron en el núcleo interno ayuda a mapear su estructura interna.
Los terremotos más pequeños no generan olas lo suficientemente fuertes como para ser útiles para el estudio.

“Esa señal que regresa del núcleo interno es realmente minúscula. El tamaño es del orden de un nanómetro”, dijo Koper. “Lo que estamos haciendo es buscar una aguja en un pajar. Así que estos ecos y reflejos de bebés son muy difíciles de ver”.

El núcleo está cambiando

Los científicos utilizaron por primera vez ondas sísmicas para determinar si el núcleo interno era sólido en 1936. Antes del descubrimiento de la sismóloga danesa Inge Lehmann, se suponía que todo el núcleo era líquido, ya que está extremadamente caliente, alcanzando los 10.000 grados.[{» attribute=»»>Fahrenheit, about the temperature on the sun’s surface.

At some point in Earth’s history, the inner core started “nucleating,” or solidifying, under the intense pressures existing at the center of the planet. It remains unknown when that process began, but the University of Utah team gleaned important clues from the seismic data, which revealed a scattering effect associated with waves that penetrated to the core’s interior.

“Our biggest discovery is the inhomogeneity tends to be stronger when you get deeper. Toward the center of Earth it tends to be stronger,” Pang said.

“We think that this fabric is related to how fast the inner core was growing. A long time ago the inner core grew really fast. It reached an equilibrium, and then it started to grow much more slowly,” Koper said. “Not all of the iron became solid, so some liquid iron could be trapped inside.”

Participating in the study, which was funded by the National Science Foundation, were researchers from the University of Southern California, the Université de Nantes in France, and the Los Alamos National Laboratory.

Reference: “Enhanced inner core fine-scale heterogeneity towards Earth’s centre” by Guanning Pang, Keith D. Koper, Sin-Mei Wu, Wei Wang, Marine Lasbleis and Garrett Euler, 5 July 2023, Nature.
DOI: 10.1038/s41586-023-06213-2