Núcleo interno de la Tierra para niños
Datos para niños Estructura de la Tierra |
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El núcleo interno de la Tierra es la capa más profunda de nuestro planeta. Es como una esfera sólida gigante con un radio de aproximadamente 1220 kilómetros. Esto es más o menos el 20% del radio de la Tierra y el 70% del radio de la Luna.
No podemos tomar muestras directas del núcleo de la Tierra, a diferencia de lo que ocurre con el manto terrestre. La información que tenemos sobre el núcleo proviene principalmente del estudio de las ondas sísmicas (que son como las vibraciones de los terremotos) y del campo magnético de la Tierra. Se cree que el núcleo interno está hecho de una mezcla de hierro y níquel con otros elementos. La temperatura en la superficie del núcleo interno se calcula en unos 5700 Kelvin (5430°C o 9806°F), ¡que es casi tan caliente como la superficie del Sol!
Contenido
- ¿Cómo se descubrió el núcleo interno de la Tierra?
- ¿Cómo obtenemos información sobre el núcleo interno?
- Características físicas del núcleo interno
- ¿De qué está hecho el núcleo interno?
- ¿Cómo es la estructura del núcleo interno?
- ¿Cómo crece el núcleo interno?
- ¿Cómo se mueve el núcleo interno?
- ¿Qué edad tiene el núcleo interno?
- Véase también
¿Cómo se descubrió el núcleo interno de la Tierra?
En 1936, una científica danesa llamada Inge Lehmann descubrió que la Tierra tenía un núcleo interno sólido, diferente de su núcleo externo que es líquido. Ella llegó a esta conclusión al analizar los registros de terremotos (sismogramas) de Nueva Zelanda. Se dio cuenta de que las ondas sísmicas rebotaban en el límite del núcleo interno y podían ser detectadas por sismógrafos en la superficie. Calculó que el radio del núcleo interno era de 1400 kilómetros, un valor muy cercano al que aceptamos hoy, que es de 1221 kilómetros.
Unos años después, en 1940, se propuso que este núcleo interno estaba hecho de hierro sólido. En 1952, F. Birch publicó un estudio que confirmaba que el núcleo interno probablemente era hierro cristalino.
El límite entre el núcleo interno y el externo a veces se llama "discontinuidad de Lehmann", aunque este nombre se usa más para otra separación. También se ha propuesto el nombre "discontinuidad de Lehmann-Bullen", en honor a Keith Edward Bullen, pero no es muy común. La solidez del núcleo interno se confirmó en 1971.
En 2005, se detectaron ondas que atraviesan el núcleo interno, lo que ayudó a confirmar su estado sólido.
¿Cómo obtenemos información sobre el núcleo interno?
Las ondas sísmicas nos dan pistas
Casi toda la información directa que los científicos tienen sobre el núcleo interno proviene de las ondas sísmicas que lo atraviesan. Las ondas más útiles son las que se generan por terremotos profundos (a 30 kilómetros o más bajo la superficie) y que son registradas por sismógrafos en todo el mundo.
Las ondas sísmicas incluyen:
- Ondas "P" (primarias o de presión): Son ondas de compresión que pueden viajar a través de materiales sólidos o líquidos.
- Ondas "S" (secundarias o de corte): Son ondas de corte que solo pueden viajar a través de sólidos elásticos y rígidos.
Ambos tipos de ondas viajan a diferentes velocidades y se debilitan de distintas maneras al pasar por el mismo material.
Son especialmente importantes las ondas "PKiKP", que son ondas de presión que viajan desde la superficie, cruzan el límite del manto y el núcleo, atraviesan el núcleo, rebotan en la superficie del núcleo interno, vuelven a cruzar el núcleo líquido y el manto, y se detectan como ondas de presión en la superficie. También son interesantes las ondas "PKIKP", que atraviesan el núcleo interno en lugar de rebotar en su superficie.
Aunque las ondas S no pueden entrar o salir del núcleo interno directamente, las ondas P pueden convertirse en ondas S y viceversa cuando llegan al límite entre el núcleo interno y externo en un ángulo. Gracias a este fenómeno, sabemos que el núcleo interno puede transmitir ondas S, lo que confirma que debe ser sólido.
Otras fuentes de información
Otras formas de aprender sobre el núcleo interno incluyen:
- El campo magnético de la Tierra. Aunque se genera principalmente por el movimiento del líquido en el núcleo externo, este movimiento se ve muy afectado por la presencia del núcleo interno sólido y por el calor que sale de él.
- La masa de la Tierra, su campo gravitacional y su inercia angular. Todas estas propiedades se ven influenciadas por la densidad y el tamaño de las capas internas de la Tierra.
- Las vibraciones naturales de toda la Tierra. Cuando ocurren grandes terremotos, el planeta "suena" como una campana. Estas vibraciones también dependen mucho de la densidad, el tamaño y la forma de las capas internas.
Características físicas del núcleo interno
Velocidad de las ondas sísmicas
La velocidad de las ondas S en el núcleo interno cambia suavemente, de unos 3.7 kilómetros por segundo en el centro a 3.5 kilómetros por segundo en la superficie. Esto es mucho más lento que la velocidad de las ondas S en la corteza inferior (aproximadamente 4.5 km/s) y menos de la mitad de la velocidad en el manto profundo (aproximadamente 7.3 km/s).
La velocidad de las ondas P en el núcleo interno también varía suavemente, de unos 11.4 kilómetros por segundo en el centro a 11.1 kilómetros por segundo en la superficie. Luego, la velocidad cae bruscamente en el límite entre el núcleo interno y externo, a unos 10.4 kilómetros por segundo.
Tamaño y forma
Basándose en los datos sísmicos, se calcula que el núcleo interno tiene un radio de aproximadamente 1221 kilómetros (2442 km de diámetro). Esto es alrededor del 19% del radio de la Tierra y el 70% del radio de la Luna.
Su volumen es de unos 7.6 mil millones de kilómetros cúbicos, lo que representa aproximadamente el 0.7% del volumen total de la Tierra.
Se cree que su forma es muy parecida a un elipsoide achatado, como la superficie de la Tierra, pero más esférico. Esto significa que el radio a lo largo del eje de la Tierra es unos 3 kilómetros más corto que el radio en el ecuador. En comparación, el achatamiento de la Tierra en su conjunto es mayor, con el radio polar 21 kilómetros más corto que el ecuatorial.
Presión y gravedad
La presión en el núcleo interno de la Tierra es un poco mayor que en el límite con el núcleo externo. Varía entre 330 y 360 gigapascales (3.3 a 3.6 millones de atmósferas).
La fuerza de gravedad en la superficie del núcleo interno se calcula en 4.3 metros por segundo al cuadrado, que es menos de la mitad del valor en la superficie de la Tierra (9.8 m/s²).
Densidad y masa
Se cree que la densidad del núcleo interno varía suavemente, de unos 13.0 kilogramos por litro en el centro a 12.8 kilogramos por litro en la superficie. La densidad cae de repente en esa superficie: el líquido justo encima del núcleo interno es significativamente menos denso, aproximadamente 12.1 kg/L. Para comparar, la densidad promedio en los 100 kilómetros superiores de la Tierra es de unos 3.4 kg/L.
Esta densidad implica una masa de aproximadamente 1023 kilogramos para el núcleo interno, lo que representa 1/60 (1.7%) de la masa total de la Tierra.
Temperatura
La temperatura del núcleo interno se puede estimar a partir de la temperatura a la que el hierro impuro se derrite bajo la enorme presión que hay en el límite del núcleo interno (unos 330 gigapascales). Basándose en esto, se estimó su temperatura entre 5400 K y 5700 K. Sin embargo, experimentos más recientes han obtenido una temperatura de fusión del hierro más alta, de 6230±500 K.
El hierro puede ser sólido a temperaturas tan altas porque su punto de fusión aumenta drásticamente con presiones tan grandes (esto se explica por la relación de Clausius-Clapeyron).
Campo magnético
Se ha determinado que el campo magnético promedio en el núcleo externo líquido es de aproximadamente 2.5 militeslas (25 gauss), que es unas 40 veces más fuerte que el campo máximo en la superficie. Se sabe que la Luna y el Sol causan mareas en el núcleo externo líquido, al igual que en los océanos. El movimiento del líquido a través del campo magnético local crea corrientes eléctricas, que liberan energía en forma de calor según la ley de Ohm. Esta liberación de calor, a su vez, frena los movimientos de las mareas y explica algunas anomalías detectadas en la nutación de la Tierra. A partir de la magnitud de este efecto, se pudo calcular la fuerza del campo magnético. Se presume que el campo dentro del núcleo interno tiene una fuerza similar.
Viscosidad
Aunque las ondas sísmicas viajan a través del núcleo interno como si fuera sólido, las mediciones no pueden distinguir entre un material perfectamente sólido y uno extremadamente viscoso. Por eso, algunos científicos han considerado si podría haber un movimiento lento (convección) dentro del núcleo interno, similar al que se cree que existe en el manto. Esto podría explicar algunas diferencias detectadas en los estudios sísmicos. Se ha estimado que la viscosidad del núcleo interno es de 1018 pascal-segundos, ¡lo que es un sextillón de veces la viscosidad del agua y más de mil millones de veces la de la brea!
¿De qué está hecho el núcleo interno?
Todavía no hay pruebas directas sobre la composición del núcleo interno. Sin embargo, basándose en la cantidad de diferentes elementos químicos en el sistema solar, la teoría de la formación planetaria y lo que sabemos de la química del resto de la Tierra, se cree que el núcleo interno está compuesto principalmente por una aleación de hierro y níquel.
A las presiones y temperaturas estimadas del núcleo, el hierro puro podría ser sólido, pero su densidad sería un 3% mayor que la densidad conocida del núcleo. Esto sugiere que hay elementos más ligeros en el núcleo, como silicio, oxígeno o azufre, además del níquel. Estimaciones más recientes permiten hasta un 10% de níquel y un 2-3% de otros elementos ligeros no identificados.
Según algunos cálculos, el núcleo externo líquido contiene entre un 8% y un 13% de oxígeno. Sin embargo, a medida que el hierro se cristaliza para formar el núcleo interno, el oxígeno se queda mayormente en el líquido.
Experimentos de laboratorio y análisis de ondas sísmicas sugieren que el núcleo interno está formado por alótropos de hierro, una forma cristalina del metal con una estructura hexagonal compacta (hcp). Esta estructura puede incluir pequeñas cantidades de níquel y otros elementos.
Además, si el núcleo interno crece por la caída de partículas solidificadas sobre su superficie, es posible que algo de líquido quede atrapado en los espacios porosos. En ese caso, parte de este fluido residual podría persistir en una pequeña cantidad en gran parte de su interior.
¿Cómo es la estructura del núcleo interno?
Muchos científicos esperaban inicialmente que el núcleo interno fuera homogéneo, es decir, uniforme en todas sus partes. Incluso se sugirió que podría ser un solo cristal de hierro.
Anisotropía alineada con el eje
Se ha observado que el tiempo que tardan las ondas PKIKP (ondas P que viajan a través del núcleo interno) es unos 2 segundos menor para las rutas directas de norte a sur que para las rutas directas en el plano ecuatorial. Incluso considerando el achatamiento de la Tierra en los polos, esta diferencia sugiere que las ondas P viajan a través del núcleo interno aproximadamente un 1% más rápido en dirección norte-sur que en direcciones perpendiculares.
Esta anisotropía (diferencia en la velocidad según la dirección) de la onda P ha sido confirmada por estudios posteriores. Algunos autores han reportado diferencias mayores, hasta del 4.8%, pero se ha confirmado que el valor está entre 0.5% y 1.5%.
Anisotropía no axial
Algunos científicos han afirmado que la velocidad de la onda P es más rápida en direcciones oblicuas o perpendiculares al eje norte-sur, al menos en algunas regiones del núcleo interno. Sin embargo, estas afirmaciones han sido discutidas, señalando que la dirección de la velocidad máxima está muy cerca del eje de rotación de la Tierra.
¿Qué causa la anisotropía?
Los datos de laboratorio y los cálculos teóricos indican que la propagación de las ondas de presión en los cristales de hierro con estructura hcp también es muy anisotrópica, con un eje "rápido" y dos ejes "lentos". Una preferencia de los cristales en el núcleo por alinearse en la dirección norte-sur podría explicar la anomalía sísmica observada.
Un fenómeno que podría causar esta alineación parcial es el flujo lento ("arrastre") dentro del núcleo interno, desde el ecuador hacia los polos o viceversa. Este flujo haría que los cristales se reorientaran parcialmente según la dirección del flujo. Se ha propuesto que este flujo podría ser causado por una mayor velocidad de congelación en el ecuador que en las latitudes polares.
Otros han sugerido que el flujo necesario podría ser causado por una convección térmica lenta dentro del núcleo interno. Aunque se pensaba que estos movimientos convectivos eran poco probables, al estimar la viscosidad del núcleo interno, se descubrió que tal convección podría haber ocurrido, especialmente cuando el núcleo era más pequeño.
También se ha propuesto que la anisotropía se debe a que los cristales de hierro tienden a crecer más rápido cuando sus ejes están alineados con la dirección del flujo de calor de enfriamiento, y que el flujo de calor fuera del núcleo interno estaría inclinado hacia la dirección radial.
Además, se ha sugerido que los cambios en el campo magnético también podrían deformar lentamente el núcleo interno con el tiempo.
Múltiples capas
Se ha encontrado evidencia de que el núcleo interno sólido contiene un "núcleo interno más interno" (IMIC) con propiedades ligeramente diferentes a las de la capa que lo rodea. La naturaleza de estas diferencias y el radio del IMIC aún no se han determinado con exactitud, con propuestas que van desde 300 km hasta 750 km.
También se ha propuesto un modelo de tres capas, con un "núcleo interno interno" (IIC) de unos 500 km de radio, una capa de "núcleo interno externo" (OIC) de unos 600 km de espesor, y una capa isotrópica de 100 km de espesor. En este modelo, la dirección de "onda P más rápida" sería paralela al eje de la Tierra en el OIC, pero perpendicular a ese eje en el IIC. Sin embargo, esta conclusión ha sido discutida, argumentando que no es necesario que haya cambios bruscos en el núcleo interno, sino solo un cambio gradual de las propiedades con la profundidad.
Variación lateral
Se ha afirmado, basándose en datos sísmicos, que la anisotropía del material del núcleo interno, aunque orientada de norte a sur, era más pronunciada en el hemisferio "oriental" del núcleo interno (aproximadamente a 110° de longitud este, debajo de Borneo) que en el hemisferio "occidental" (aproximadamente a 70° de longitud oeste, debajo de Colombia).
Se ha propuesto que esta asimetría podría deberse a la fusión en el hemisferio oriental y la recristalización en el hemisferio occidental. Se ha especulado que este proceso podría explicar la asimetría en el campo magnético de la Tierra. Sin embargo, se ha argumentado que los datos muestran solo una anisotropía débil, con una velocidad en la dirección norte-sur solo entre 0.5% y 1.5% más rápida que en las direcciones ecuatoriales, y sin signos claros de variación de este a oeste.
Otra estructura
Otros investigadores afirman que las propiedades de la superficie del núcleo interno varían de un lugar a otro en distancias tan pequeñas como 1 kilómetro. Esta variación es sorprendente, ya que se sabe que las variaciones de temperatura lateral a lo largo del límite interior-núcleo son extremadamente pequeñas.
¿Cómo crece el núcleo interno?
Se cree que el núcleo interno de la Tierra crece lentamente a medida que el núcleo externo líquido, en el límite con el núcleo interno, se enfría y solidifica. Esto ocurre debido al enfriamiento gradual del interior de la Tierra (aproximadamente 100 °C por cada mil millones de años).
Según algunos cálculos, a medida que el hierro se cristaliza en el núcleo interno, el líquido justo encima se enriquece en oxígeno y, por lo tanto, es menos denso que el resto del núcleo externo. Este proceso crea corrientes de convección en el núcleo externo, que se cree que son el principal motor de las corrientes que generan el campo magnético de la Tierra.
La existencia del núcleo interno también afecta los movimientos dinámicos del líquido en el núcleo externo y, por lo tanto, puede ayudar a mantener el campo magnético.
¿Cómo se mueve el núcleo interno?
Dado que el núcleo interno no está rígidamente unido al manto sólido de la Tierra, se ha discutido durante mucho tiempo la posibilidad de que gire un poco más rápido o más lento que el resto de la Tierra. En la década de 1990, los sismólogos afirmaron haber detectado esta "súper rotación" al observar cambios en las características de las ondas sísmicas que atraviesan el núcleo interno a lo largo de varias décadas. Se estimó que esta "súper rotación" del núcleo interno en relación con el manto era de aproximadamente un grado por año. Más tarde, al comparar registros de "dobletes sísmicos" (terremotos que ocurren en la misma ubicación en el lado opuesto de la Tierra con años de diferencia), se revisó esa estimación a 0.3 a 0.5 grados por año.
Se ha observado que los campos gravitacionales del Sol y la Luna, que causan las mareas oceánicas, también ejercen fuerzas sobre la Tierra, afectando su eje de rotación y disminuyendo su velocidad de rotación. Estas fuerzas se sienten principalmente en la corteza y el manto, por lo que su eje y velocidad de rotación pueden ser diferentes de la rotación general del fluido en el núcleo externo y del núcleo interno. La dinámica es compleja debido a las corrientes y los campos magnéticos en el núcleo interno. Los científicos han descubierto que el eje del núcleo interno se tambalea (o nuta) ligeramente con un período de aproximadamente 1 día. Con algunas suposiciones sobre la evolución de la Tierra, concluyen que los movimientos de fluidos en el núcleo externo podrían haber entrado en resonancia con las fuerzas de marea en varias ocasiones en el pasado (hace 3.0, 1.8 y 0.3 mil millones de años). Durante esas épocas, que duraron entre 200 y 300 millones de años cada una, el calor adicional generado por movimientos de fluidos más fuertes podría haber detenido el crecimiento del núcleo interno.
¿Qué edad tiene el núcleo interno?
Las teorías sobre la edad del núcleo son parte de las teorías sobre la historia de la Tierra en general. Este ha sido un tema muy debatido y aún se discute hoy en día. Se cree ampliamente que el núcleo interno sólido de la Tierra se formó a partir de un núcleo inicialmente completamente líquido a medida que la Tierra se enfriaba. Sin embargo, todavía no hay pruebas firmes sobre cuándo comenzó este proceso.
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Se han utilizado dos enfoques principales para estimar la edad del núcleo interno: el modelado termodinámico del enfriamiento de la Tierra y el análisis de pruebas paleomagnéticas. Las estimaciones obtenidas por estos métodos todavía varían en un amplio rango, de 0.5 a 2 mil millones de años.
Pruebas termodinámicas
Una forma de estimar la edad del núcleo interno es modelando cómo se enfría la Tierra, considerando un valor mínimo para el flujo de calor en el límite núcleo-manto (CMB). Esta estimación se basa en la teoría de que el campo magnético de la Tierra se genera principalmente por las corrientes de convección en la parte líquida del núcleo, y que se necesita un flujo de calor mínimo para mantener esas corrientes. El flujo de calor en el CMB hoy en día se puede estimar de manera confiable porque está relacionado con el flujo de calor medido en la superficie de la Tierra y con la velocidad de convección del manto.
Suponiendo que no había elementos radiactivos en el núcleo, se ha estimado una edad de 1 ± 0.5 mil millones de años para el núcleo interno, lo que es considerablemente menos que la edad estimada de la Tierra y de su núcleo líquido (alrededor de 4500 millones de años). También se concluyó que, si el núcleo contenía una cantidad razonable de elementos radiactivos, la edad del núcleo interno podría ser unos cientos de millones de años mayor.
Mediante cálculos teóricos, se ha propuesto que la conductividad eléctrica del hierro y otros materiales hipotéticos del núcleo, a las altas presiones y temperaturas esperadas allí, eran dos o tres veces más altas de lo que se suponía en investigaciones anteriores. Estas predicciones fueron confirmadas por mediciones. Los valores más altos para la conductividad eléctrica llevaron a mayores estimaciones de la conductividad térmica, a 90 W/m·K; lo que, a su vez, redujo las estimaciones de su antigüedad a menos de 700 millones de años.
Sin embargo, mediciones posteriores de la conductividad térmica del hierro sólido en condiciones de núcleo interno obtuvieron un valor mucho más bajo, de 18–44 W/m·K. Con esos valores, se obtuvo un límite superior de 4200 millones de años para la edad del núcleo interno, lo que es compatible con la evidencia paleomagnética.
Pruebas paleomagnéticas
Otra forma de estimar la edad de la Tierra es analizando los cambios en el campo magnético de la Tierra a lo largo de su historia, tal como quedaron registrados en las rocas que se formaron en diferentes momentos (el "registro paleomagnético"). La presencia o ausencia del núcleo interno sólido podría dar lugar a procesos dinámicos muy diferentes en el núcleo que podrían causar cambios notables en el campo magnético.
En 2011, se publicó un análisis del paleomagnetismo en una gran muestra de rocas que se formaron en el Neoarcaico (hace 2800 a 2500 millones de años) y en el Proterozoico (2.5 a 0.541 mil millones de años). Se descubrió que el campo geomagnético era más parecido al de un dipolo magnético durante el Neoarcaico que después. Esto se interpretó como una señal de que el efecto dínamo (que crea el campo magnético) estaba más arraigado en el núcleo durante esa época, mientras que más tarde las corrientes más cercanas al límite núcleo-manto cobraron importancia. Además, se especula que el cambio puede deberse al crecimiento del núcleo interno sólido entre 3.5 y 2000 millones de años atrás.
En 2015, se publicó el análisis de un conjunto extenso y cuidadosamente seleccionado de muestras precámbricas y se observó un aumento notable en la intensidad y la variación del campo magnético de la Tierra hace alrededor de 1 a 1500 millones de años. Este cambio no se había notado antes debido a la falta de suficientes mediciones confiables. Se especuló que el cambio podría deberse al nacimiento del núcleo interno sólido de la Tierra. A partir de su estimación de edad, se obtuvo un valor bastante modesto para la conductividad térmica del núcleo externo, lo que permitió modelos más simples de la evolución térmica de la Tierra.
Un análisis de muestras de rocas de la época de Ediacarán (formadas hace unos 565 millones de años) reveló una intensidad inusualmente baja y dos direcciones distintas para el campo geomagnético durante ese tiempo. Considerando otra evidencia de alta frecuencia de reversiones de campos magnéticos alrededor de ese tiempo, se especula que esas anomalías podrían deberse al inicio de la formación del núcleo interno, que entonces tendría 0.5 mil millones de años.
Véase también
En inglés: Earth's inner core Facts for Kids
- Geodinámica
- Meteorito de hierro
- Estructura de la tierra
- Viajar al centro de la Tierra