Océanos de hidrógeno en el interior de la Tierra: cómo este elemento, el más abundante en el universo, fue retenido | Ciencia

En la Tierra, el hidrógeno es escaso. En la atmósfera, solo existen trazas, ya que es mucho más ligero que el aire y la gravedad no logra retenerlo. Sin embargo, se encuentra en los océanos, ligado en forma de agua, con 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. Pero la combinación de ambos no puede explicar la paradoja de que, siendo el elemento más abundante en el universo, sea tan raro en nuestro planeta. La posible existencia de hidrógeno en el interior de la Tierra podría aclarar esta cuestión. Recientemente, un estudio publicado en Nature Geoscience ha cuantificado la presencia del elemento más ligero de la tabla periódica en el núcleo terrestre. Si los cálculos son correctos, hay decenas de veces más hidrógeno en el núcleo que en todos los océanos de la Tierra.

“A través del análisis de los meteoritos, que son considerados los bloques fundamentales de los planetas rocosos, hemos llegado a conocer aproximadamente la composición de la Tierra, que consiste en silicato y hierro metálico”, explica Dongyang Huang, profesor en la Escuela de Ciencias de la Tierra y del Espacio de la Universidad de Pekín y primer autor del estudio. Por efecto de la rotación y la inercia del planeta, se conoce la distribución de su masa, “con un núcleo central y capas de silicatos en el exterior”, añade el investigador. Los silicatos, compuestos en su mayoría de silicio y oxígeno, constituyen hasta el 95% de la corteza terrestre. Sin embargo, el núcleo de la Tierra es más ligero de lo esperado para una aleación de hierro y níquel, “lo cual sugiere que debe contener elementos más ligeros, como carbono, oxígeno o hidrógeno”, detalla Huang. El hidrógeno es un buen candidato debido a que es el elemento más común en el universo, y su ausencia sería inusual. “Por lo tanto, es probable que el hidrógeno esté presente en el núcleo; la incógnita es cuánto”, concluye el científico chino.

Para cuantificar la cantidad de hidrógeno, investigadores de la Universidad de Pekín y la Escuela Politécnica Federal de Zúrich han reproducido las condiciones que se cree que existen en el núcleo terrestre. Basándose en otros estudios de meteoritos, sísmicos, geológicos y del espacio exterior, se ha confirmado la existencia de una esfera sólida de hierro en las profundidades, rodeada por un núcleo exterior también metálico, pero en estado líquido. Ahí se podría encontrar el hidrógeno que se ha perdido. 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 ello, replicaron esas condiciones en laboratorio.

Para simular estas condiciones extremas de presión y temperatura, utilizaron una diminuta muestra de hierro envoltura en vidrio de silicato y la calentaron con un láser hasta alcanzar aproximadamente 5.100 grados Kelvin, un nivel cercano al que existe en el núcleo terrestre. Al mismo tiempo, la sometieron a una enorme presión de 111 gigapascales, equivalente a colocar el peso de más de un millón de toneladas sobre un centímetro cuadrado. Investigaciones en el campo de altas presiones llevadas a cabo en la primera mitad del siglo pasado desarrollaron un sistema para conseguir estas condiciones a escala de gigapascales. Dado que la presión es una función de la fuerza (en toneladas) por unidad de superficie, la clave fue minimizar la superficie para maximizar la fuerza ejercida. Esto llevó a la creación de las celdas de yunque, que enfrentan dos puntas del mismo material, con el material a presionar en el medio. Hoy en día, estos yunques se producen de diamante, el material más duro existente en la naturaleza.

“El láser, al ser enfocado sobre la muestra, genera altas temperaturas aplicadas entre las puntas de los yunques de diamante opuestos, que se presionan para producir una presión elevada”, explica Huang. La replicación a escala microscópica, con una mínima fracción de una hoja de hierro de 10 micras, de algo tan macroscópico como el núcleo terrestre introduce incertidumbres. “Dado que la presión es igual a la fuerza por área de superficie, el costo de obtener una presión tan alta es una muestra extremadamente pequeña, lo que complica enormemente la cuantificación del hidrógeno en comparación con una muestra normal”, añade el científico.

Para determinar la cantidad de hidrógeno presente, recurrieron a una técnica de conteo capaz de detectar cantidades infinitesimales de material de cualquier elemento. Se trata de la tomografía de sonda atómica (APT, por sus siglas en inglés), la única técnica que proporciona un mapeo completo a escala nanométrica. Gracias a esta técnica avanzada de imagen, observaron cómo el hidrógeno se incorpora al núcleo desde el silicato fundido, que sería el magma circundante. El resultado final indica que, si la reproducción de las condiciones del núcleo terrestre es correcta, “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.

Para José Alberto Padrón, del Instituto Andaluz de Ciencias de la Tierra IACT-CSIS, “actualmente no se conoce la cantidad de agua interna y externa en los planetas rocosos, ni cómo se interrelacionan”. “Y lo que resulta aún más interesante”, añade, “es si esta comunicación entre los reservorios profundos y superficiales tiene impacto en la evolución tan diferente que ha tenido nuestro planeta Tierra, con océanos y tectónica de placas, comparado con otros planetas, como Marte, que ahora no tienen agua ni tectónica”.

Para aclarar estas dudas, lo primero que se debería hacer 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”, agrega. Y concluye en línea con 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”.