Océanos de hidrógeno en el núcleo terrestre: cómo el elemento más común del universo fue atrapado | Ciencia

En la corteza terrestre, la cantidad de hidrógeno es bastante reducida. En la atmósfera solo se encuentran pequeñas trazas, siendo mucho más ligero que el aire, lo que hace que ni siquiera la gravedad del planeta logre retenerlo. Su presencia se encuentra en los océanos, donde forma agua, en una proporción de dos partes de hidrógeno por cada una de oxígeno. Otra fuente importante son los hidrocarburos que se formaron hace millones de años. Sin embargo, incluso sumando ambas fuentes, no se logra explicar la paradoja de su escasez en la Tierra, a pesar de ser el elemento más abundante en el universo. La posible existencia de hidrógeno en el interior del planeta podría aclarar este enigma. Recientemente, un estudio publicado en Nature Geoscience ha cuantificado la presencia de este elemento vital en el núcleo terrestre, sugeriendo que podría haber decenas de veces más hidrógeno del que existe en todos los océanos del planeta.

“Al analizar los meteoritos, que se consideran los bloques de construcción de los planetas rocosos, comprendemos aproximadamente la composición de la Tierra, es decir, silicato más hierro metálico”, explica Dongyang Huang, profesor en la Escuela de Ciencias de la Tierra y del Espacio de la Universidad de Pekín y autor principal de esta investigación. Gracias a la rotación y la inercia del planeta, se conoce la distribución de su masa, “teniendo un núcleo en el centro y capas de silicatos en el exterior”, agrega el investigador. Los silicatos, formados en su mayoría por silicio y oxígeno, constituyen hasta el 95% de la corteza terrestre. Sin embargo, el núcleo de la Tierra resulta ser más ligero de lo esperado para una aleación de hierro y níquel, “lo que indica que debe contener otros elementos ligeros, como carbono, oxígeno o hidrógeno”, detalla Huang. Específicamente, el hidrógeno es un candidato plausible debido a que es el elemento más común del universo, y sería extraño no hallarlo en este contexto. “Por lo tanto, es probable que el hidrógeno esté presente en el núcleo; la cuestión es cuánto”, concluye el científico chino.

Con el objetivo de cuantificar el hidrógeno, investigadores de la Universidad de Pekín y la Escuela Politécnica Federal de Zúrich han reproducido las condiciones que se suponen en el núcleo terrestre. Basándose en estudios previos sobre meteoritos, así como en estudios sísmicos y geológicos, se ha determinado la existencia de una esfera sólida de hierro en lo más profundo, rodeada de un núcleo externo metálico pero en estado líquido. Este sería el lugar donde se encuentra el hidrógeno que falta. En el interior del planeta, la presión es tres millones de veces mayor que en la superficie y las temperaturas alcanzan los 5.500 grados. Por ende, replicaron estas condiciones en laboratorio.

Para simular estas extremas condiciones de presión y temperatura, tomaron una diminuta muestra de hierro encapsulada en vidrio de silicato y la calentarón con un láser hasta alcanzar aproximadamente 5.100 grados Kelvin, un nivel cercano a la temperatura del interior del planeta. Al mismo tiempo, la sometieron a una presión abrumadora, de 111 gigapascales, lo que equivale a colocar más de un millón de toneladas de peso sobre un centímetro cuadrado. En los estudios sobre altas presiones realizados a mediados del siglo pasado, se ideó un sistema para alcanzarlas en la escala del gigapascal. Dado que la presión es la función de la fuerza (en toneladas) por unidad de superficie, el enfoque fue minimizar el área de superficie para elevar la fuerza aplicada. Así nacieron las celdas de yunque, donde dos puntas del mismo material se enfrentan, y en medio se coloca el material a ser presionado. Actualmente, estos yunques están fabricados en diamante, el material más resistente que existe en la naturaleza.

“El láser, al enfocarse en la muestra, genera altas temperaturas, que se aplican entre las puntas de dos yunques de diamante opuestos, que se presionan para crear altas presiones”, explica Huang. Esta reproducción a escala microscópica, usando una fracción de una lámina de hierro de 10 micras, de algo tan enorme como el núcleo terrestre introduce cierta incertidumbre. “Debido a que la presión es igual a la fuerza distribuida sobre el área de superficie, el costo de obtener presiones tan altas es una muestra excepcionalmente pequeña, lo que complica la cuantificación del hidrógeno en comparación con una muestra estándar”, añade el científico.

Por lo tanto, para determinar la cantidad de hidrógeno presente, tuvieron que usar una técnica de conteo que puede detectar cantidades infinitesimales de material de cualquier elemento. Esta técnica se llama tomografía de sonda atómica (APT, por sus siglas en inglés), la única capaz de ofrecer un mapping completo a escala nanométrica. Gracias a este avanzado método de imagen, pudieron observar cómo el hidrógeno se infiltra en el núcleo desde el silicato fundido, que sería el magma circundante. El resultado indica que, si la simulación de las condiciones del núcleo terrestre es correcta, “el núcleo terrestre contiene entre un 0,07% y un 0,36% en peso de hidrógeno, equivalente a entre 9 y 45 océanos de agua”, concluye Huang.

Para José Alberto Padrón, del Instituto Andaluz de Ciencias de la Tierra IACT-CSIS, “en la actualidad no se conoce la cantidad de agua interna y externa de los planetas rocosos, ni tampoco cómo se interrelacionan”. “Y lo que resulta aún más fascinante”, agrega, “es si esta comunicación entre los reservorios profundos y superficiales influye en la evolución diferenciada de nuestro planeta Tierra, que presenta océanos y tectónica de placas, en comparación con otros planetas como Marte, que actualmente no tienen agua ni tectónica”.

Para aclarar estos dilemas, lo primero sería, según Padrón, “determinar el volumen de agua e hidrógeno disuelto en el interior del planeta, algo muy complicado, ya que no tenemos acceso directo”, añade. Y concluye en la línea de lo cuantificado por el equipo de Huang: “Se estima que entre el núcleo y el manto de la Tierra se puede almacenar el equivalente a varias decenas de océanos actuales”.