El núcleo de la Tierra es tan remoto y misterioso como cualquier cosa en el Sistema Solar, con presiones de más o menos 300 millones de veces más altas que las que existen en la superficie y con temperaturas que alcanzan los 6000ºC, la misma de la superficie del Sol. Aun cuando el núcleo es de un material conocido (hierro), bajo estas extraordinarias condiciones se comporta de una forma no familiar y difícil de detectar. Sin embargo, durante los últimos años los investigadores han logrado entender muchísimo acerca de este misterioso planeta ubicado dentro de otro planeta, como es la Tierra. Ahora el desafío está en los detalles: ¿Cómo se genera el campo magnético? ¿Cómo nos podemos explicar el hecho que de tiempo en tiempo la polaridad del campo magnético se revierte? Y si como los geólogos ahora creen que el núcleo de la Tierra tiene una capa interna y una capa externa, ¿Cómo interactúan las dos con las capas rocosas fuera de ellas?

El núcleo se originó cuando la Tierra se formó a partir del disco de gas y polvo que giraba alrededor del sol, al igual que los otros planetas. La gravedad atrajo partículas de polvo que se aglomeraron, chocándose unas con otras y creciendo cada vez en mayor volumen. En la medida que el intenso calor generado con las colisiones derritió las masas, metales densos como el hierro se concentró para formar el núcleo. La Tierra creció lentamente y su núcleo de hierro se acumuló muy temprano, ya en los inicios de la historia del planeta. La temperatura, junto con la presión del peso de las capas externas de roca, mantuvo el núcleo de hierro en estado fluido, arremolinándose en constante movimiento, guiado por la rotación de la Tierra y por convección, mientras que el cuerpo comenzaba a enfriarse. El flujo de este líquido conductor comenzó en el núcleo de nuestro planeta la generación de un campo magnético.

¿Pero cómo hemos podido conocer de la existencia de ese núcleo, cuán grande es y de qué exactamente está hecho? En realidad son muy pocas las evidencias directas que nos puedan ayudar a contestar estas preguntas. Todo lo conocido se ha deducido por razonamientos y evidencias indirectas. Para comenzar, sabemos que la Tierra está hecha más o menos del mismo material que los otros planetas, que el sol, y lo que es muy importante, de los meteoritos. Midiendo la proporción de elementos en la Tierra y en estos otros cuerpos, nos informamos de cuán abundantes fueron estos elementos en las nubes de gas primitivo, que más tarde se condensaron para formar el Sistema Solar. Los meteoritos son fragmentos de cuerpos planetarios que se juntaron cuando se formó el Sistema Solar. Algunos meteoritos están constituidos por rocas; algunos de hierro y algunos son una mezcla de ambos. De esto se pueden deducir dos importantes cosas. Primero, la importancia del hierro en la composición promedio del Sistema Solar. Y porque algunos meteoritos están hechos sólo de hierro y aleaciones de hierro con otros metales, como el níquel, podemos también deducir que los cuerpos planetarios, muy precozmente en su vida ya formaban cuerpos metálicos.

La masa de la Tierra es aun otro importante indicio. Issac Newton describió que la fuerza de la atracción gravitacional entre dos cuerpos depende de su masa y su separación. Medidas suficientemente acuciosas de la atracción entre diferentes masas y la Tierra indican indirectamente la masa de la Tierra. Por otra parte, Newton estableció que la masa de los planetas determina su distancia del Sol; estas relaciones y la órbita de los satélites también nos dan estimaciones de la masa de la Tierra.

Cuando ya se conoce la masa de la Tierra se puede comenzar a trabajar para saber de qué está hecha. Los continentes están hechos de "silicatos", minerales relativamente livianos, conteniendo silicon, oxígeno, aluminio, calcio, y así en adelante, esencialmente en la forma de "granito". En el hecho estas rocas son menos densas que la densidad promedio del mismo planeta Tierra, como también es el material "basáltico" del "manto" (la capa sobre la costra). El núcleo tiene que estar hecho entonces de elementos más pesados, y el más comúnmente conocido es el hierro. En base a estos razonamientos y evidencias indirectas, los científicos han establecido la densidad del núcleo, y de los cálculos se deduce que está hecho de hierro, quizás con un pequeño porcentaje de azufre y oxígeno.

De este modo debe haber mucho hierro en el centro de la Tierra, pero ¿Cómo sabemos que él forma un núcleo distinto y cómo sería este núcleo? Aquí también la información disponible es indirecta. Desde el siglo pasado los científicos ya saben que la Tierra está formada por capas. Los sismólogos han estudiado la forma en que se transmite la energía en los terremotos, y ello ha proporcionado valiosa información acerca de su constitución interna. En un terremoto se generan dos tipos de ondas elásticas que transmiten la energía a través del mundo. a.- Las ondas de presión, llamadas ondas "P", que son ondas de compresión como las ondas del sonido en el aire, en las cuales el aumento o disminución en la presión se transmite en la dirección de la onda, y b.- Las ondas tipo cizalla (Shear Waves), conocidas como ondas "S" en que el movimiento generado es transverso, y producen stress de cizalla (las ondas S se producen cuando la fuerza se aplica en un sentido y la onda resultante se propaga en una dirección distinta, generalmente transversal).

Cuando ocurre un terremoto, las ondas sísmicas se producen en secuencias y se esparcen desde el epicentro del terremoto a través del planeta. Dentro de la Tierra, las ondas P y S se comportan como otras ondas, doblándose y rebotando cuando cambian las propiedades de las rocas a través de las cuales van pasando. La reflexión y la refracción de ellas, revela los cambios significativos en las propiedades físicas de la roca, cambios más simplemente relacionados al contraste en densidad.

Los cambios que se producen en las ondas sísmicas reflectadas de diferentes límites, pueden informarnos acerca de las propiedades de los materiales profundos en la Tierra. Estas informaciones les ha permitido a los sismólogos construir modelos sofisticados de las capas de la Tierra. Para ello buscan detectar ondas que pasan a través de diferentes capas en la Tierra. Así por ejemplo, para saber acerca del límite entre el núcleo y el manto se necesitan grandes terremotos y una red de sismómetros puestos en un arco entre 105º y 142º, lejos del epicentro del terremoto. Esta es la región en la cual los sismólogos encuentran una sombra, la zona de la Tierra donde las ondas S no se transmiten. Esta sombra no aparece con las ondas P. La diferencia entre las dos es significativa: las ondas S no viajan a través de líquidos, los fluidos no pueden soportar el stress de cizalla. Se deduce entonces que la zona sombreada corresponde al "núcleo externo", con un radio de 2900 kilómetros. De ello también se deduce que el núcleo externo debe ser líquido.


De adentro hacia afuera
El núcleo de la Tierra siempre está creciendo

En 1936 el sismólogo danés, Inge Lehmann, para explicar algunas energías sísmicas que él había detectado en la zona sombreada, sugirió que también debería existir un "núcleo interno". Las observaciones sugerían que el núcleo interno era sólido y tenía un radio de 1400 kilómetros. La densidad del núcleo interno es difícil de establecer, pero probablemente está en un rango de 0.25-1 gramo/centímetro. Parece extraño tener un núcleo interno sólido y más caliente, rodeado por un núcleo externo más frío, fundido, pero esta es la forma en que se comporta el hierro bajo esas grandes presiones. En esta forma inusual el núcleo se va solidificando desde dentro hacia afuera por el efecto de la muy alta presión. Mejores estimaciones sugieren que el núcleo interno está creciendo en unos pocos metros cúbicos por segundo y que se comenzó a solidificar hace aproximadamente 2000 años. Antes de esto, la Tierra tenía un núcleo completamente líquido.

En la medida que los sismólogos comenzaron a estudiar el núcleo en mayor detalle, se dieron cuenta que iban a necesitar muchos datos de terremotos para lograr observaciones más confiables a esta gran profundidad. Se requiere de tanta descripción como sea posible para obtener la máxima información acerca de cómo las ondas sísmicas cambian cuando interactúan con diferentes bordes entre diferentes capas de rocas. Para esto los sismólogos usan instrumentos llamados "sismómetros de onda ancha", que pueden registrar las vibraciones provenientes de un terremoto a través de una muy ancha banda de frecuencia. Claro que también necesitan de fuertes terremotos que generen ondas. En un principio los sismólogos estuvieron usando los efectos de las explosiones nucleares soviéticas, pero ahora prefieren ubicarse en lugares donde natural y frecuentemente ocurren grandes terremotos. Terremotos moderados y frecuentes suceden en las "zonas de subducción", donde las placas terrestres convergen y se superponen unas sobre otras (Formación de la Tierra) .

Los sismólogos han instalado una red de instrumentos sensibles en los lugares donde ellos esperan captar reflexiones del núcleo. Hay un gran cambio en las propiedades físicas en los bordes del núcleo, algo como los cambios que suceden en la superficie de la Tierra en relación a las rocas con el aire. Pero en este caso el cambio es de la roca sólida del manto profundo al hierro líquido del núcleo externo.

En el núcleo externo es donde se genera el campo magnético de la Tierra por un mecanismo conocido como "geodinamo". El flujo de este material conductor es suficiente para reforzar y mantener el campo magnético existente, proceso conocido como "dinamo autosostenible". El estudio de este sistema es el objeto del desarrollo de muchos modelos teóricos, que usan ecuaciones que comprometen la dinámica de fluidos, el magnetismo y otras propiedades del líquido en el núcleo.

Este tema " magneto hidrodinámico" ha conducido a muchos modelos en los que se estudia cómo se genera el campo magnético en la Tierra. Para que encaje el modelo tienen que coincidir ciertas características. Todos los modelos tienen que producir un campo que es simétrico. Tiene que ser generado por un flujo del hierro en el núcleo externo. Los modelos tienen también que permitir una polaridad reversa, ya que el campo de la Tierra a menudo ha cambiado en el pasado. Durante un período de reversión de la polaridad, la aguja del compás que estaba marcando en un punto hacia el campo del Polo Norte Magnético, podría marcar sur. Este estado es tan estable y normal como un período de polaridad normal, de modo que cualquier modelo tiene que considerar la reversión de la polaridad y todavía verse como lo mismo. También tiene que ser capaz de permutar rápido, geológicamente hablando: estimaciones de los datos obtenidos de las rocas, sugieren que la reversión toma unos miles de años para cambiar el campo.

Los modelos que llenan estas demandas tienden a consistir en redes cilíndricas arremolinadas, alineadas paralelamente al eje de la Tierra, como un mazo de tubos de drenaje circundadas a su alrededor como una pelota de playa (fig. 4). Los patterns del flujo es complejo, pero pueden existir en una forma que produce un campo magnético como el de la Tierra.


Encontrando el campo magnético
Sedimentos, barcos y satélites

La modelación del geodinamo se ve dificultada por el hecho de que hay muy pocos datos útiles de cómo se ve el campo magnético de la Tierra. Hoy día el cuadro que arman los científicos del mismo, lo logran juntando medidas tomadas de lugares escaneados sobre la superficie misma de la Tierra o de medidas tomadas desde aviones o satélites. Los instrumentos llamados "magnetómetros" miden la fuerza del campo en diferentes localidades. Una vez eliminados los efectos de diferentes minerales en las rocas, los resultados pueden combinarse logrando una primera aproximación del campo magnético en un tiempo determinado. Algunos satélites se han equipado como para medir la fuerza desde sus órbitas, dando un cuadro global del mundo. Es así como el Magsad hizo esto en el año 1980, midiendo los vectores del campo magnético. Ahora el satélite Oersted está haciendo lo mismo, de modo que pronto se tendrán dos mapas con una diferencia de 20 años.

La información de cómo ha cambiado el campo magnético se obtiene del magnetismo que se ha preservado en las rocas cuando ellas se formaron. La lava contiene minerales de hierro en la dirección que tenía el campo magnético cuando ellas se solidificaron, como también lo hacen las rocas sedimentarias mantenidas juntas por minerales que contienen hierro. Se obtiene así datos de suficientes rocas en distintas partes del mundo, con lo que es posible construir un pattern de campos en diferentes etapas, por cientos o miles de años (figura 3). Estas mismas lecturas también se emplean para hacer mapas de las posiciones de los continentes en tiempos muy distantes.

Pero si bien es cierto que los sismólogos han logrado mapas del campo magnético actual y un récord de cómo ha cambiado en miles de años en el pasado (figura 2), existe un vacío con muy poca información entre los tiempos transcurridos. Así por ejemplo, existe muy poca información de cómo ha cambiado el campo magnético en períodos de siglos. De existir esta información, ayudaría mucho a los modeladores para refinar sus modelos. Pero mirando datos históricos de los navegantes, es una forma de remediar esta deficiencia.

Es así como desde cuando las naciones europeas comenzaron las exploraciones en sus barcos a lo ancho del mundo han usado compases y registrado sus lecturas en sus bitácoras. En el siglo XVIII los navegantes medían cuidadosamente la dirección del norte magnético (o sur) y el correspondiente polo geográfico determinado por la navegación celeste. Conociendo la "declinación magnética local" les ayudaba a deducir la posición del barco y corregir la dirección del compás en el campo magnético local.

A los geofísicos de hoy se les hace difícil interpretar las secuencias de las lecturas magnéticas de aquellos tiempos por la falta de una acuciosa determinación de la posición del barco. Muy a menudo la latitud registrada en la bitácora divergía por pocos grados, una vez que el barco veía tierra y reconocía su posición exacta por otros medios. Fue a comienzos del siglo XVII, antes de las navegaciones acuciosas, cuando el carpintero inglés John Harrison y un número de científicos se esforzaron para desarrollar un cronómetro marino que mantuviera el tiempo acuciosamente durante los largos períodos en mares tempestuosos, lo que le permitiría medir la longitud. Sin embargo con todas sus inexactitudes, las exploraciones y los viajes comerciales (por ejemplo los barcos de la East India Company), constituyen un tesoro para los geomagnetistas. Confían que con la información de los viajes pueda ser posible construir una base de datos en el período transcurrido entre los años 1600 a 1900.

Esta información va a ayudar a los investigadores en su modelo de campo magnético. El campo hoy día. Así por ejemplo, el campo magnético de hoy día es claramente no exacto como el de una barra magneto: no hay cambios simples en la polaridad del Ecuador. En cambio, el campo magnético tiene lóbulos en los campos al norte y al sur, y áreas más fuertes y menos fuertes. El desafío para los modeladores es reproducir todo el pattern norte-sur y llenar los detalles.


Atrás y adelante
¿Cómo cambia el campo?

El conocimiento del comportamiento del geodinamo durante las "reversiones" del campo magnético de la Tierra ha entregado buenas pistas sobre su origen. Cada pocos miles de años el campo magnético revierte, sin que la fuerza del campo caiga a cero. El pattern es irregular e incluye, entre estas reversiones, episodios en los cuales los polos magnéticos se alejan de su posición usual y luego vuelven. Estas han sido llamadas "excursiones". Métodos más precisos para obtener datos de las rocas han revelado un pattern también más preciso de los cambios, mostrando que por cada millón de años, observándose que durante este período las reversiones suceden dos o tres veces y que entre medio, las excursiones están sucediendo más frecuentemente, teniendo duraciones que oscilan entre 5000 y 10.000 años.

Los geomagnetistas han sugerido que esto se produce por diferentes propiedades del núcleo interno y externo. El núcleo externo líquido puede revertir su polaridad de campo relativamente rápido, porque flota como un líquido. Así por ejemplo, toma 500 años para que por convección dé la vuelta del campo completamente. El núcleo interno es sólido y cualquier cambio en la polaridad de su campo sucede mucho más lentamente y está limitado por el ritmo de difusión a través del hierro sólido. Así la teoría señala que las excursiones suceden cuando el núcleo externo revierte, mientras la reversión no sucede, a menos que también revierta el núcleo interno. Sin embargo, no todos los geofísicos están de acuerdo con esta idea.

Lo que los geofísicos no han logrado este año, es el modelo para explicarse el trabajo del dinamo autosostenible. Es así como diversos grupos de investigadores han logrado modelos de laboratorio que generan y mantienen un campo magnético como resultado de flujo de fluidos conductores. Los modelos no tratan de recrear las condiciones del núcleo de la Tierra: la presión y las temperaturas son demasiado extremas. Lo que en cambio han hecho, es encontrar un material que se comporta como lo hace el hierro en el núcleo, lo que lo hace posible de imitar, y en condiciones considerablemente más rápidas. La clave para imitar los importantes aspectos del "geodinamo" es encontrar un fluido en el cual se mueva el campo magnético y genere una corriente eléctrica, antes que la corriente eléctrica muera por la resistencia del fluido. Este balance se mide por el "número Reynold" magnético, que debe estar sobre un valor crítico para hacer autosostenible el dinamo. Desde este punto de vista, un buen material es el sodio líquido: es un excelente conductor y tiene un número magnético Reinold lo suficientemente alto. Pero el sodio no es un material promisorio desde el punto de vista del experimentador: el sodio líquido se quema fácilmente en el aire y explota en el agua. Aun pequeños trozos son peligrosos. La forma líquida es muy reactiva y los experimentos requieren de tanques de un metro o más. Sin embargo los experimentadores, en formas diferentes, han logrado modelos que funcionan, con bombas y hélices que mueven el líquido como corrientes de convección como las que habría en el núcleo. Logran producir campos magnéticos que crecen desde pequeños campos de comienzo y que son capaces de mantenerse a sí mismos funcionando. Aparte de ser esto un avance en sí mismo, también es útil para los teóricos que tienen que desarrollar complicados cálculos en un esfuerzo para lograr explicar el origen del campo magnético de la Tierra.

También hay trabajos experimentales que han permitido definir la forma del núcleo interno de la Tierra: se trata de hierro cristalino. Investigadores del Carnegie Institution en Washington DC y en otras partes, han construido "células diamante yunque". Estas células pueden ejercer presiones hasta 300 gigapascas, concentrando una fuerza relativamente modesta en una pequeña área, entre dos caras de diamante. Ellos ponen el material, digamos hierro, en la célula diamante y luego someten todo a presión y temperaturas como las que habrían existido en las profundidades de la Tierra, y ven qué ocurre en el material. La ventaja de la célula diamante, es que el investigador puede usar rayos X para observarla, y en particular hacer medidas mientras el material se encuentra a alta presión y alta temperatura. Con este método los investigadores han deducido algunas estructuras del cristal de hierro puesto en condiciones extremas. La célula diamante incluso ha mostrado que el hidrógeno llega a reorganizarse y asume la estructura de un metal a las temperaturas que existen en el núcleo de los planetas gigantes gaseosos, como es el caso de Júpiter. Algunas clases de convecciones en este inusual estado del hidrógeno pueden explicar el campo magnético de estos planetas gaseosos gigantes, que no contienen suficiente cantidad de hierro como tiene el núcleo de la Tierra.

Una propiedad de los cristales, muy familiar para los geólogos, es que estos transmiten la luz a diferentes velocidades en diferentes direcciones. Ellos se conocen como "cristales anisotrópicos" (los minerales isotrópicos no tienen esta propiedad). Bajo el microscopio, los geólogos pueden usar estas diferencias para identificar la orientación del cristal. Este método se ha usado también para estudiar el núcleo interno. Razonando que el núcleo es cristalino y anisotrópico, los geólogos piensan que podría ser posible encontrar la orientación del cristal formado.

Las ondas sísmicas que pasan a través del núcleo interno viajarían a diferente velocidad, dependiendo de la orientación de los cristales. Los sismólogos que determinan la velocidad a la cual se transmiten las ondas a través del núcleo interno, han tenido una sorpresa: la velocidad ha cambiado en una cantidad significante en una década o más. Las determinaciones se realizaron con los mismos instrumentos usando la energía de los terremotos en la misma zona de subdicción. Pero parece que las ondas han viajado a través de diferentes partes del núcleo interno. La conclusión es que el núcleo interno está rotando a diferente velocidad que el resto de la Tierra.

Este fue un shock. Los investigadores calcularon que el núcleo interno se estaba comportando como un gran cristal, con una dirección rápida inclinada más o menos en 10º en relación al eje de la Tierra. Entre sus dos resultados la dirección rápida ha rotado más lejos y las ondas sísmicas se movieron más lentamente a través del núcleo interno. Esto sugiere que el núcleo interno está rotando unos pocos grados más rápido cada año con relación al resto del planeta (El núcleo de la Tierra está rotando) . Pero no todo el mundo está de acuerdo: hay muchos problemas con el núcleo interno moviéndose a diferente velocidad que el resto del planeta. Lo que está claro es que estas observaciones han incrementado los deseos de investigación en esta área. Con todo, los resultados no son definitivos, ya que otros estudios sugieren que el núcleo interno está rotando más lentamente que el planeta o a la misma velocidad.

Lo que es cierto es que esta enigmática parte de nuestro planeta hogar, está rápidamente llegando a ser mejor conocido y un poco menos misterioso.



* Sue Bowler es editor de "Astronomy & Geophysics, la revista del Royal Astronomical Society en Otley, West Yorkshire y la Universidad de Leeds.