«Si alguna vez se te caen las llaves en un río de lava fundida, suéltalas, porque, tío, se van». -Jack Handey
Echa un vistazo a nuestro planeta, la Tierra, y una de las cosas que notarás es que más del 70% de la superficie está cubierta de agua.
Todos sabemos por qué ocurre esto, por supuesto: es porque los océanos de la Tierra flotan sobre las rocas y la tierra que conforman lo que conocemos como tierra.
Este concepto de flotación y flotabilidad -donde los objetos menos densos se elevan por encima de los más densos, que se hunden hasta el fondo- hace mucho más que explicar los océanos.
Este mismo principio explica por qué el hielo flota en el agua, por qué un globo de helio se eleva en la atmósfera o por qué las piedras se hunden en el fondo de un lago, esto último porque el agua menos densa se eleva alrededor de la piedra. Este mismo principio -el de la flotabilidad- explica también por qué la Tierra tiene las capas que tiene.
La parte menos densa de la Tierra, la atmósfera, flota sobre los océanos acuáticos, que a su vez flotan sobre la corteza terrestre, que se encuentra sobre el manto más denso, que a su vez no puede hundirse en la sección más densa de la Tierra: el núcleo.
En realidad, el estado más estable en el que podría encontrarse la Tierra es uno que estuviese perfectamente estratificado como una cebolla, con los elementos más densos hacia su centro, y cada capa hacia fuera formada progresivamente por elementos menos densos. De hecho, cada terremoto que ocurre en la Tierra es en realidad el planeta acercándose un pequeñísimo paso hacia ese estado ideal, ya que nuestra tasa de rotación se acelera ligeramente tras cada uno de ellos.
Y esta imagen de nuestro mundo, estratificado por densidad con capas menos densas rodeando a las progresivamente más densas, interiores, explica la estructura no sólo de la Tierra, sino de todos los planetas. Todo lo que tenemos que hacer es recordar de dónde vinieron todos estos elementos en primer lugar.
Cuando el Universo era muy joven -con sólo unos minutos de antigüedad- prácticamente los únicos elementos que existían eran el hidrógeno y el helio. Todos los más pesados se fabricaban en las estrellas, y sólo cuando éstas morían estos elementos pesados se reciclaban de nuevo en el Universo, permitiendo que se formaran nuevas generaciones de estrellas.
Pero esta vez, una mezcla de todos estos nuevos elementos -no sólo hidrógeno y helio, sino también carbono, nitrógeno, oxígeno, silicio, magnesio, azufre, hierro y más- va a formar no sólo nuevas estrellas, sino un disco protoplanetario alrededor de cada una de esas estrellas.
La presión hacia fuera de la estrella recién formada empuja preferentemente los elementos más ligeros hacia las partes exteriores del sistema solar, mientras que la gravedad hace que las inestabilidades del disco colapsen y formen lo que se convertirá en planetas.
En el caso de nuestro Sistema Solar, los cuatro mundos más internos son los cuatro planetas más densos de nuestro Sistema Solar, siendo Mercurio el que está compuesto por los elementos más densos. Los cuatro fueron incapaces de retener gravitacionalmente las grandes cantidades de hidrógeno y helio con las que se formaron, lo que les impidió convertirse en gigantes gaseosos como los otros cuatro planetas de nuestro Sistema Solar.
Pero los planetas exteriores, al ser más masivos y estar más alejados del Sol (y, por tanto, recibir menos radiación), consiguieron aferrarse a grandes cantidades de estos elementos ultraligeros, y formaron gigantes gaseosos.
Cada uno de estos mundos, al igual que la Tierra, tiene -en general- los elementos más densos concentrados en el núcleo, con los más ligeros formando capas progresivamente menos densas a su alrededor.
No debería sorprender mucho que el hierro, el elemento más estable y el más pesado que se produce en gran abundancia fuera de las supernovas, sea el elemento más abundante en el núcleo de la Tierra. Pero quizá le sorprenda saber que, entre el núcleo interno sólido y el manto sólido, se encuentra una capa líquida de más de 2.000 kilómetros de grosor: el núcleo externo de la Tierra.
Al igual que el asqueroso chicle que llevaba tu abuela, la Tierra tiene una enorme capa líquida en su interior, ¡que contiene un 30% de la masa de nuestro planeta! La forma en que sabemos que el núcleo externo es líquido es bastante brillante: ¡por las ondas sísmicas producidas por los terremotos!
Hay dos tipos diferentes de ondas sísmicas producidas en los terremotos: la onda de compresión primaria, conocida como onda P, que funciona como un pulso a través de un slinky,
y la onda de corte secundaria, conocida como onda S, que se propaga como las olas en la superficie del mar.
Ambos tipos de ondas se desplazan en forma de cáscara esférica hacia el exterior desde su punto de origen en la Tierra, golpeando y ondulando no sólo la superficie cercana a su epicentro, sino en todo el mundo. Las estaciones de control sísmico de todo el mundo están equipadas para captar tanto las ondas P como las S, pero las ondas S no viajan a través del líquido (aunque se atenúan), mientras que las ondas P no sólo viajan a través del líquido, sino que se refractan.
¡Como resultado de esto, podemos aprender que la Tierra tiene un núcleo exterior líquido, un manto sólido exterior a eso, y un núcleo sólido interior a él! Así es como la Tierra tiene los elementos más pesados y densos en su núcleo, y cómo sabemos que su núcleo exterior es una capa líquida.
¿Pero por qué el núcleo exterior es líquido? Como todos los elementos, que el hierro sea sólido, líquido, gaseoso o «otro» depende tanto de la presión como de la temperatura del hierro.
El hierro, sin embargo, es mucho más complicado que muchos elementos a los que puedes estar acostumbrado. Claro, puede adoptar una variedad de fases sólidas cristalinas, como se muestra arriba, pero no estamos interesados en estas presiones normales, mostradas en los diagramas anteriores. Vamos a bajar hasta el núcleo de la Tierra, donde la presión no es sólo unas pocas veces (o incluso unos cientos de veces) la presión atmosférica a la que estamos acostumbrados, sino más bien millones de veces lo que es a nivel del mar. ¿Qué aspecto tiene el diagrama de fases para presiones excesivas como ésa?
Lo maravilloso de la ciencia es que, incluso cuando no sabes la respuesta de buenas a primeras, lo más probable es que alguien haya investigado para encontrar la respuesta. En este caso, Ahrens, Collins y Chen, 2001 tienen la respuesta que buscamos.
Aunque este diagrama muestra presiones tremendas -hasta 120 GigaPascales- es importante recordar que nuestra atmósfera tiene sólo 0,0001 GigaPascales, mientras que el núcleo interno experimenta presiones estimadas en 330-360 Gpa! La línea sólida superior representa el límite entre el hierro fundido (por encima de la línea) y el hierro sólido (por debajo). Pero fíjese en que, justo en el borde de la línea sólida, ésta toma un giro brusco hacia arriba…
A 330 GigaPascales, se necesita una temperatura tremenda, algo comparable a las que se encuentran en la superficie del Sol, para fundir el hierro. Sin embargo, esas mismas temperaturas, a presiones más bajas, mantendrán fácilmente el hierro en su fase líquida, mientras que a presiones más altas verán al hierro formar un sólido. ¿Qué significa esto para el núcleo de la Tierra?
La temperatura más alta -en el centro de la Tierra- que alcanza nuestro planeta es de algo menos de 6.000 Kelvin, mientras que la temperatura de fusión del hierro en el límite entre el núcleo interno y el núcleo externo se ha estimado recientemente en torno a ese valor también.
Pero aquí está el truco: la Tierra se enfría con el tiempo, ya que su calor se irradia al espacio exterior más rápido de lo que genera su propio calor por desintegración radiactiva. Dentro de la Tierra, su temperatura interior desciende, mientras que su presión se mantiene constante.
En otras palabras, cuando la Tierra se formó por primera vez, estaba más caliente; es muy probable que todo el núcleo fuera una vez líquido, y al seguir enfriándose, ¡el núcleo interno sigue creciendo! Y mientras esto sucede, como el hierro sólido tiene una densidad mayor que el hierro líquido, la Tierra se contraerá ligeramente, necesitando qué…
¡Más terremotos!
Así que el núcleo de la Tierra es líquido porque está lo suficientemente caliente como para fundir el hierro, pero sólo en lugares donde la presión es lo suficientemente baja. A medida que la Tierra envejece y se enfría, más y más del núcleo se vuelve sólido, y cuando lo hace, la Tierra se encoge un poco!
¡Si queremos mirar lejos en el futuro, podemos esperar adquirir eventualmente características como las grandes escarpas encontradas en Mercurio!
¡Debido a que es tan pequeño, Mercurio ya se ha enfriado y contraído muchísimo, y tiene grietas de cientos de kilómetros donde se vio obligado a contraerse debido a este enfriamiento!
En definitiva, ¿por qué la Tierra tiene un núcleo líquido? Porque aún no ha terminado de enfriarse. Y cada terremoto que sientes es la Tierra acercándose un poco más a su estado final de enfriamiento y solidez!
(Sin embargo, no te preocupes, ¡el Sol explotará y tú y todos los que conoces estarán muertos durante mucho tiempo antes de que eso ocurra!)
