Hidrógeno en el núcleo terrestre: cómo el elemento más abundante del universo fue atrapado en nuestros océanos | Ciencia

En la superficie del planeta, el hidrógeno es bastante escaso. En la atmósfera se detectan solo pequeñas trazas, dado que es mucho más ligero que el aire y ni siquiera la gravedad terrestre logra retenerlo. Sin embargo, se encuentra en los océanos, en forma de agua, con dos partes de hidrógeno por cada parte de oxígeno. Otra fuente significativa son los hidrocarburos que se formaron hace millones de años. Aun así, ni juntas logran resolver la paradoja de que, siendo el elemento más abundante del universo, sea tan poco común en la Tierra. Su posible presencia en el núcleo del planeta podría ofrecer una explicación. Recientemente, un estudio publicado en Nature Geoscience ha cuantificado la existencia del hidrógeno en el núcleo terrestre. Si sus cálculos son correctos, hay decenas de veces más de lo que se encuentra en todos los océanos de nuestro planeta.

“Gracias al análisis de meteoritos, considerados los bloques básicos de los planetas rocosos, conocemos 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 de este estudio. Debido a la rotación y la inercia del planeta, se ha determinado cómo se distribuye su masa: “un núcleo en el centro y capas de silicatos en el exterior”, añade el investigador. Los silicatos, compuestos principalmente de silicio y oxígeno, representan 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 que sugiere que debe contener elementos ligeros, como carbono, oxígeno o hidrógeno”, explica Huang. El hidrógeno es un candidato ideal por ser el elemento más abundante del universo, y sería raro no hallarlo aquí. “Por lo tanto, es probable que el hidrógeno esté en el núcleo; la cuestión es cuánto”, concluye el científic.

Con el objetivo de cuantificar la cantidad de hidrógeno, investigadores de la Universidad de Pekín y la Escuela Politécnica Federal de Zúrich han replicado las condiciones que predominan en el núcleo terrestre. Con base en otros estudios relacionados con meteoritos, así como con investigaciones sísmicas, geológicas y del espacio exterior, se sabe que existe una esfera sólida de hierro en el fondo del núcleo, rodeada por una parte exterior también metálica, pero líquida. Es aquí donde se encontraría el hidrógeno que falta. En el interior del planeta, la presión alcanza tres millones de veces la de la superficie y la temperatura llega a los 5.500 grados. Por ello, replicaron dichas condiciones en un laboratorio.

Para reproducir estas extremas condiciones de presión y temperatura, tomaron una pequeña muestra de hierro encerrada en vidrio de silicato y la calentaron con un láser hasta alcanzar aproximadamente 5.100 grados Kelvin, un nivel cercano al existente en el interior de la Tierra. Al mismo tiempo, la sometieron a una presión increíble, de 111 gigapascales, equivalente a poner el peso de más de un millón de toneladas sobre un centímetro cuadrado. En la primera mitad del siglo pasado, se desarrolló un sistema para alcanzar tales presiones en la escala del gigapascal. Dado que la presión es función de la fuerza (en toneladas) sobre una unidad de superficie, la clave fue minimizar la superficie para aumentar la fuerza aplicada. El resultado son las llamadas celdas de yunque, que enfrentan dos puntas del mismo material, y donde, en el medio, se encuentra el objeto a presionar. Actualmente, los yunques están hechos de diamante, el material más resistente en la naturaleza.

“El láser, al enfocarse sobre la muestra, produce una alta temperatura que se aplica entre las puntas de dos yunques de diamante, que se presionan para generar una presión elevada”, explica Huang. Esta reproducción a escala microscópica, a partir de una delgada lámina de hierro de 10 micras, de algo tan grandioso como es el núcleo terrestre, introduce cierta incertidumbre. “Dado que la presión se define como fuerza sobre área, el precio que pagamos para alcanzar un nivel tan alto de presión es usar una muestra extremadamente pequeña, lo que complica considerablemente la cuantificación del hidrógeno en comparación con una muestra convencional”, añade el científico.

Así que, para determinar la cantidad de hidrógeno presente, tuvieron que utilizar una técnica de conteo que permite detectar cantidades mínimas de cualquier elemento. Se trata de la tomografía de sonda atómica (APT, por su acrónimo en inglés), la única que puede proporcionar un mapeo completo a nivel nanométrico. Gracias a esta sofisticada técnica de imagen, observaron cómo el hidrógeno se introduce en el núcleo desde el silicato fundido, que representaría el magma que lo rodea. El resultado final indica que, si la reproducción de las condiciones que existen en el núcleo terrestre es correcta, “el núcleo contiene entre un 0,07% y un 0,36% en peso de hidrógeno, lo cual 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 sabe la cantidad de agua interna y externa presente en los planetas rocosos, ni cómo se conectan”. “Y lo que es más interesante”, añade, “es si esta conexión entre los reservorios profundos y superficiales determina la evolución tan diferente que ha tenido nuestro planeta Tierra, que tiene océanos y tectónica de placas, en comparación con otros como Marte, que no tiene agua ni tectónica en la actualidad”.

Para aclarar estas incógnitas, lo esencial sería, según Padrón, “determinar el volumen de agua e hidrógeno disuelto en el interior del planeta, algo muy complicado, ya que no disponemos de acceso directo a estas áreas”, añade. Y culmina en la línea de lo cuantificado por el grupo de Huang: “Se estima que entre el núcleo y el manto de la Tierra se puede acumular el equivalente a varias decenas de océanos actuales”.