Océanos de hidrógeno en el centro de la Tierra: la forma en que se retuvo el elemento más común del universo | Ciencia

En la Tierra, el hidrógeno es extremadamente escaso. En la atmósfera, solo se detectan pequeñas trazas; es mucho más ligero que el aire y ni siquiera la gravedad del planeta logra retenerlo. En cambio, se encuentra en los océanos, donde está combinado como agua, en una proporción de dos partes de hidrógeno por cada parte de oxígeno. Otra fuente significativa son los hidrocarburos formados hace millones de años. Aun así, estas fuentes no logran explicar la paradoja de que, a pesar de ser el elemento más abundantemente en el universo, su presencia en nuestro planeta es tan limitada. Su posible existencia en el interior de la Tierra podría aclarar esta cuestión. Recientemente, un estudio publicado en Nature Geoscience ha medido la cantidad de este elemento en el núcleo terrestre. Si las proyecciones son correctas, hay decenas de veces más hidrógeno del que existe en todos los océanos de la Tierra.

“Analizando los meteoritos, que se considera que son los componentes fundamentales de los planetas rocosos, podemos estimar 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 el principal autor de esta investigación. Gracias a la rotación y la inercia del planeta, se ha determinado la distribución de su masa, “con un núcleo en el centro y capas de silicatos en la parte exterior”, agrega el investigador. Estos silicatos, compuestos principalmente de silicio y oxígeno, constituyen hasta el 95% de la corteza terrestre. No obstante, el núcleo de la Tierra resulta ser más ligero de lo que se esperaría de una aleación de hierro y níquel, “lo que sugiere la presencia de elementos más ligeros como el carbono, el oxígeno o el hidrógeno”, aclara Huang. El hidrógeno es un buen candidato, dado que es el elemento más abundante en el universo, lo que hace que su ausencia aquí sería bastante inusual. “Por lo tanto, es probable que el hidrógeno esté en el núcleo; la cuestión es cuánta cantidad hay”, concluye el científico chino.

Para medir la cantidad de hidrógeno, un equipo de investigadores de la Universidad de Pekín y la Escuela Politécnica Federal de Zúrich ha replicado las condiciones que se suponen existen en el núcleo terrestre. A través de estudios anteriores sobre meteoritos, análisis sísmicos y geológicos, se ha llegado a conocer la existencia de una esfera sólida de hierro en las profundidades de la Tierra, rodeada por un núcleo metálico externo que está en estado líquido. Es en esta parte donde podría encontrarse el hidrógeno que falta. Dentro del planeta, la presión es tres millones de veces mayor que en la superficie, con temperaturas que alcanzan los 5,500 grados. Por ello, reprodujeron estas condiciones en un laboratorio.

Para crear estas extremas condiciones de presión y temperatura, los investigadores tomaron una pequeña muestra de hierro, encapsulada en vidrio silicatado, y la calentaron con un láser a aproximadamente 5,100 grados Kelvin, un nivel cercano al existente en las profundidades del planeta. Simultáneamente, la sometieron a una enorme presión de 111 gigapascales, lo que equivale al peso de más de un millón de toneladas sobre un centímetro cuadrado. En la primera mitad del siglo XX, se desarrolló un sistema para generar altas presiones a escala gigapascal. Al ser la presión producto de la fuerza por área superficial, la clave era minimizar la superficie para maximizar la fuerza ejercida. Así nacieron las celdas de yunque, en las que se confrontan dos puntas del mismo material y, entre ellas, se coloca el material que recibe la presión. Hoy en día, los yunques están fabricados con diamante, el material más resistente que se conoce en la naturaleza.

“El láser, al enfocarse en la muestra, produce una alta temperatura que se aplica entre las puntas enfrentadas de dos yunques de diamante que se presionan para generar una elevada presión”, explica Huang. Esta es una reproducción microscópica, utilizando una fracción de una lámina de hierro de tan solo 10 micras, de la inmensa masa del núcleo terrestre, lo que introduce un grado de incertidumbre. “Dado que la presión es igual a la fuerza por el área superficial, lograr una presión tan elevada requiere una muestra muy pequeña, lo cual complica la cuantificación del hidrógeno de manera considerable, en comparación a una muestra estándar”, añade el investigador.

Para determinar la cantidad de hidrógeno presente, emplearon una técnica de conteo que puede detectar cantidades mínimas de cualquier elemento. Esta técnica, conocida como tomografía de sonda atómica (APT, por sus siglas en inglés), es la única que puede ofrecer un mapeo completo a escala nanométrica. Gracias a esta astuta técnica de imagen, observaron cómo el hidrógeno se introduce en el núcleo desde el silicato fundido, lo que representaría el magma circundante. El resultado final indica que, si las condiciones recreadas son precisas, “el núcleo terrestre contiene entre 0.07% y 0.36% en peso de hidrógeno, equivalente 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 conocemos la cantidad de agua tanto interna como externa en los planetas rocosos, ni cómo se interrelacionan». “Y lo más intrigante”, añade, “es si esta conexión entre los reservorios profundos y superficiales determina las distintas evoluciones que han tenido nuestro planeta, con océanos y tectónica de placas, en comparación con otros planetas como Marte, que carecen de agua y tectónica en la actualidad.”

Para aclarar estas dudas, lo primero que se requiere, según Padrón, es “conocer el volumen de agua e hidrógeno diluido en el interior del planeta, lo que es sumamente complicado ya que no tenemos acceso directo”, añade. Y concluye en la misma línea que lo cuantificado por el equipo de Huang: “Se estiman que entre el núcleo y el manto de la Tierra podría haber el equivalente a varios decenas de océanos actuales”.