Hidrógeno en el núcleo terrestre: el océano de este elemento más abundante en el universo | Ciencia

En la superficie terrestre, el hidrógeno es escaso. Apenas se detectan pequeñas trazas en la atmósfera, donde es mucho más ligero que el aire y ni la gravedad logra retenerlo. Sin embargo, se encuentra en abundancia en los mares, en forma de agua, con dos partes de hidrógeno por cada parte de oxígeno. Otra fuente significativa son los hidrocarburos formados hace millones de años. Sin embargo, ni sumados logran explicar la paradoja de que, siendo el elemento más común del universo, sea tan escaso en la Tierra. Su posible existencia en el interior del planeta podría ofrecer una solución. Recientemente, un estudio publicado en Nature Geoscience ha cuantificado la presencia del hidrógeno en el núcleo terrestre. Si sus cálculos son correctos, habría decenas de veces más hidrógeno del que hay en todos los océanos de la Tierra.

“A partir del análisis de meteoritos, que se consideran los bloques fundamentales de los planetas rocosos, tenemos una idea aproximada de la composición de la Tierra: 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 puede deducir la distribución de su masa, “con un núcleo en el centro y capas de silicatos en el exterior”, añade Huang. Estos silicatos, compuestos principalmente de silicio y oxígeno, constituyen hasta el 95% de la corteza terrestre. Sin embargo, el núcleo de la Tierra resulta ser más ligero de lo que debería ser la aleación de hierro y níquel que lo compone, “lo que sugiere que contiene algunos elementos ligeros, como carbono, oxígeno o hidrógeno”, detalla. El hidrógeno es un candidato ideal debido a su abundancia en el universo, y sería raro no encontrarlo aquí. “Entonces, es probable que el hidrógeno esté presente en el núcleo; la pregunta es cuánto”, concluye el investigador chino.

Para cuantificar el hidrógeno presente, investigadores de la Universidad de Pekín y la Escuela Politécnica Federal de Zúrich han recreado las condiciones que se dan en el núcleo terrestre. A partir de estudios sobre meteoritos, así como de investigaciones sísmicas, geológicas y espaciales, se sabe que en lo profundo existe una esfera sólida de hierro, rodeada de un núcleo exterior metálico, pero en estado líquido. Aquí es 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 la temperatura alcanza los 5.500 grados. Por lo tanto, replicaron estas condiciones en el laboratorio.

Para simular estas extremas condiciones de presión y temperatura, tomaron una pequeña muestra de hierro encapsulada en vidrio de silicato y la calentaron con un láser hasta aproximadamente 5.100 grados Kelvin, una temperatura cercana a la existente en el interior del planeta. Al mismo tiempo, la sometieron a una presión de 111 gigapascales, equivalente a poner más de un millón de toneladas sobre un centímetro cuadrado. Las investigaciones sobre altas presiones realizadas en la primera mitad del siglo XX idearon un sistema para alcanzarlas en la escala del gigapascal. Como la presión es función de la fuerza (en toneladas) dividida por área de superficie, la clave era minimizar la superficie para maximizar la fuerza ejercida. El resultado fueron las llamadas celdas de yunque, donde dos puntas del mismo material se enfrentan, y en medio se colaca lo que se quiere presionar. Actualmente, los yunques se fabrican con diamante, el material más duro conocido en la naturaleza.

“El láser, enfocado sobre la muestra, produce una alta temperatura que se aplica entre las puntas de dos yunques de diamante opuestos, que se presionan entre sí para generar una elevada presión”, explica Huang. Esta reproducción a escala microscópica, utilizando una fracción de una lámina de hierro de 10 micras, introduce cierta incertidumbre. “Dado que la presión es el resultado de la fuerza dividida por el área, el precio que se paga para obtener una presión tan alta es que la muestra debe ser extremadamente pequeña, lo que complica la cuantificación del hidrógeno en comparación con una muestra normal”, añade el científico.

Así que, para determinar cuánta cantidad de hidrógeno había, tuvieron que utilizar una técnica de conteo capaz de detectar cantidades ínfimas de material de cualquier elemento. Esta técnica se conoce como tomografía de sonda atómica (APT, por sus siglas en inglés), que es la única que puede proporcionar un mapeo completo a escala nanométrica. Gracias a esta avanzada técnica de imagen, se observó cómo el hidrógeno ingresa al núcleo desde el silicato fundido, es decir, el magma que lo rodea. El resultado final indica que, si la recreación de las condiciones en el núcleo terrestre es correcto, “el núcleo terrestre contiene entre un 0,07% y un 0,36% en peso de hidrógeno, lo que equivale a entre 9 y 45 océanos de agua”, concluye Huang.

José Alberto Padrón, del Instituto Andaluz de Ciencias de la Tierra IACT-CSIS, señala que “actualmente no se conoce la cantidad de agua interna y externa de los planetas rocosos, ni tampoco su interconexión”. “Y lo más interesante”, añade, “es que esta relación entre los reservorios profundos y superficiales podría influir en la evolución tan diferente que ha tenido nuestro planeta Tierra, que tiene océanos y tectónica de placas, en comparación con otros planetas como Marte, que actualmente no tiene agua ni tectónica”.

Para aclarar estas incógnitas, lo primero sería, según Padrón, “determinar el volumen de agua e hidrógeno disuelto en el interior del planeta, algo muy complicado, dado que no tenemos acceso directo”, agrega. Finalmente, apunta en la misma línea de lo cuantificado por el grupo 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”.