Simulaciones cuánticas indican que este elemento ligero podría ser más abundante junto al límite del núcleo interno y disminuir hacia el centro del planeta
Redactor: Santiago Duarte
Editor: Karem Díaz S.
Un equipo internacional de científicos desarrolló nuevos modelos que describen cómo podría comportarse el hidrógeno mezclado con hierro bajo las presiones y temperaturas extremas del núcleo de la Tierra. Los resultados apuntan a que este elemento no estaría distribuido uniformemente, sino que formaría un gradiente desde el límite del núcleo interno hasta el centro del planeta.
La investigación, publicada en Proceedings of the National Academy of Sciences, propone que el hidrógeno alcanza un estado superiónico dentro de la estructura cristalina del hierro. En esa fase poco habitual, la red formada por los átomos de hierro conserva propiedades sólidas mientras el hidrógeno mantiene una movilidad semejante a la de un líquido.
Los elementos ligeros explican una diferencia de densidad
El núcleo terrestre está compuesto principalmente por hierro, acompañado de níquel y cantidades todavía inciertas de elementos más ligeros. Esta última presencia se deduce porque las mediciones sísmicas muestran que su densidad es menor de la que tendría una masa integrada exclusivamente por hierro y níquel.
El hidrógeno figura entre los principales candidatos debido a su abundancia en el universo y a su capacidad para incorporarse al hierro bajo determinadas condiciones. Otros elementos considerados en los modelos sobre el interior terrestre incluyen carbono, oxígeno, silicio y azufre.
La composición exacta continúa siendo uno de los grandes interrogantes de la geología porque ninguna muestra puede extraerse directamente a miles de kilómetros de profundidad. Los investigadores deben combinar datos sísmicos, experimentos de alta presión y simulaciones computacionales, como las empleadas para estudiar la química que permitió la cristalización del núcleo interno.
El hidrógeno adquiere un estado superiónico
En un sólido convencional, los átomos permanecen ordenados alrededor de posiciones relativamente fijas. En una fase superiónica, una parte de la estructura mantiene ese orden cristalino, pero los elementos más ligeros pueden desplazarse a través de ella con una movilidad considerable.
Los científicos consideran que el hidrógeno disuelto en hierro podría adoptar ese comportamiento en el núcleo interno. Esto produciría un material que no se ajusta por completo a las categorías habituales de sólido o líquido y cuyas propiedades termodinámicas dependerían tanto de la temperatura como de la concentración del elemento ligero.
La hipótesis complementa otros estudios que han cuestionado la imagen del núcleo interno como una esfera completamente homogénea. Las investigaciones sísmicas sobre su estructura y movimiento han identificado variaciones internas que los modelos geoquímicos intentan explicar.
Simulaciones cuánticas reconstruyen las condiciones del núcleo
El equipo calculó mediante métodos de mecánica cuántica las energías libres de mezclas de hierro e hidrógeno en estados líquidos, sólidos y superiónicos. Los resultados se aplicaron a las presiones y temperaturas estimadas entre el límite exterior del núcleo interno y el centro de la Tierra.
Con estos datos, los investigadores construyeron diagramas de fase para comparar dos posibles estructuras cristalinas del hierro: la hexagonal compacta, conocida como hcp, y la cúbica centrada en el cuerpo, denominada bcc. El objetivo era determinar qué configuraciones serían termodinámicamente estables y cuánto hidrógeno podrían incorporar.
Los cálculos mostraron que una estructura bcc superiónica puede estabilizarse cuando aumentan la temperatura y la cantidad de hidrógeno. Sin embargo, esas mismas condiciones favorecen la fusión del material, por lo que el modelo indica que la fase superiónica hcp sería la que podría coexistir con el hierro líquido del núcleo externo.
La concentración disminuiría hacia el centro terrestre
El principal resultado del estudio es la aparición natural de un gradiente radial de hidrógeno. A una temperatura representativa de 5.500 kelvin, la concentración calculada alcanzaría alrededor del 16 % atómico junto al límite entre los núcleos externo e interno y descendería hasta cerca del 9 % en el centro del planeta.
Estos porcentajes expresan la proporción de átomos dentro de la mezcla modelada y no equivalen al porcentaje de la masa total del núcleo. Debido a su reducido peso atómico, la contribución del hidrógeno a la masa sería mucho menor que su participación en el número de átomos.
El gradiente surgiría del equilibrio termodinámico entre el núcleo externo líquido y el interno sólido. Según los cálculos, la distribución depende principalmente de la temperatura del material con respecto al punto de fusión del hierro y resulta menos sensible a las variaciones de presión.
La presencia desigual de elementos ligeros podría ayudar a interpretar los cambios con la profundidad detectados mediante ondas sísmicas. Estudios anteriores ya habían identificado una región particular dentro del núcleo externo, evidencia de que el interior profundo puede contener estructuras y dinámicas más complejas de lo supuesto.
El modelo concilia resultados teóricos anteriores
Las simulaciones previas habían producido estimaciones contradictorias sobre la cantidad de hidrógeno que se repartiría entre el hierro líquido y el sólido. Parte de esas diferencias procedía de los potenciales interatómicos y procedimientos utilizados para calcular el coeficiente de partición.
El nuevo trabajo encontró que los diagramas obtenidos para distintas profundidades presentan un comportamiento común cuando la temperatura se expresa en relación con el punto de fusión del hierro. Esta escala permitió aproximar resultados teóricos que antes parecían incompatibles y mostró concordancia con los datos experimentales disponibles a presiones inferiores.
Las conclusiones también se conectan con experimentos sobre otros elementos ligeros. Una investigación anterior comprobó que el helio puede incorporarse al hierro bajo alta presión, lo que refuerza la posibilidad de que gases primordiales quedaran almacenados en el interior durante la formación temprana del planeta.
El campo magnético depende de procesos del interior profundo
Conocer la composición del núcleo permite mejorar los modelos sobre su temperatura, evolución y transferencia de calor. El crecimiento gradual del núcleo interno y el movimiento del hierro líquido en la parte externa aportan energía a la geodinamo responsable del campo magnético terrestre.
El estudio no establece por sí solo cuánto hidrógeno contiene realmente la Tierra ni demuestra directamente la existencia del gradiente. Sus resultados proceden de cálculos termodinámicos para un sistema formado únicamente por hierro e hidrógeno, mientras que el núcleo real contiene varios elementos que pueden modificar la estabilidad y distribución de las fases.
Los autores consideran que el mecanismo podría aplicarse también a otros elementos ligeros y contribuir a explicar variaciones composicionales con la profundidad. Para comprobarlo serán necesarios modelos de aleaciones más complejas y nuevos experimentos capaces de reproducir con mayor precisión las condiciones del centro terrestre.
Fuentes referenciales:
Phys.org
Proceedings of the National Academy of Sciences
