Océanos de hidrógeno en el interior de la Tierra: cómo el planeta atrapó el elemento más común del universo | Ciencia

En la superficie de la Tierra, el hidrógeno es sumamente escaso. En la atmósfera se encuentran solo pequeñas trazas, ya que es considerablemente más ligero que el aire y la gravedad no logra retenerlo. Sin embargo, se halla en los océanos, donde está presente en forma de agua, en una proporción de dos partes por cada una de oxígeno. Otra fuente importante son los hidrocarburos, que se formaron hace millones de años. A pesar de todo, la suma de estas fuentes no explica por qué, siendo el elemento más abundante en el universo, resulta tan escaso en nuestro planeta. Su posible existencia en el interior de la Tierra podría aclarar esta paradoja. Recientemente, un estudio publicado en Nature Geoscience ha cuantificado la presencia del hidrógeno en el núcleo terrestre. Según sus cálculos, podría haber decenas de veces más hidrógeno del que existe en todos los océanos de la Tierra.

“A través del estudio de meteoritos, que se considera son los componentes básicos de los planetas rocosos, podemos aproximarnos a la composición de la Tierra, que consiste principalmente 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 autor principal de esta investigación. Gracias a la rotación y la inercia del planeta, se entiende la distribución de su masa, “con un núcleo en el centro y capas de silicatos en el exterior”, añade el investigador. Estos silicatos, formados en su mayoría por silicio y oxígeno, constituyen hasta el 95% de la corteza terrestre. Sin embargo, el núcleo terrestre resulta ser más ligero de lo esperado para una aleación de hierro y níquel, por lo que “debe contener algunos elementos ligeros, como el carbono, el oxígeno o el hidrógeno”, puntualiza Huang. El hidrógeno es un fuerte candidato debido a su abundancia en el universo, lo que haría extraño no hallarlo aquí. “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, investigadores de la Universidad de Pekín y de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich han replicado las condiciones del núcleo terrestre. A partir de otros estudios que incluyen meteoritos, análisis sísmicos y geológicos, se sabe que existe una esfera sólida de hierro en lo más profundo, rodeada de un núcleo exterior también metálico pero en estado líquido. Es en esta área donde podría encontrarse el hidrógeno faltante. 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, recrearon estas condiciones en el laboratorio.

Para crear estas condiciones extremas de temperatura y presión, tomaron una pequeña muestra de hierro envuelta en vidrio de silicato y la calentaron con un láser hasta alcanzar unos 5.100 grados Kelvin, un nivel cercano al existente en el interior del planeta. Al mismo tiempo, aplicaron una presión enorme, 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 XX, se idearon métodos para lograr estas presiones a escala de gigapascales. Dado que la presión es función de la fuerza (es decir, las toneladas) por unidad de superficie, la clave era minimizar la superficie para maximizar la fuerza aplicada. Esto dio lugar a las celdas de yunque, donde se enfrentan dos puntas del mismo material, y en el centro se coloca el material que recibe la presión. Hoy en día, los yunques se fabrican de diamante, el material más duro que existe en la naturaleza.

“El láser, al ser enfocado sobre la muestra, genera altas temperaturas, las cuales se aplican entre las puntas de dos yunques de diamante opuestos, los cuales se presionan para generar una elevada presión”, aclara Huang. La reproducción a escala microscópica, con una fracción de una lámina de hierro de 10 micras, de un fenómeno tan macroscópico como el núcleo terrestre trae consigo cierta incertidumbre. “Como la presión es igual a la fuerza dividida por el área de superficie, el coste para obtener presiones tan altas es una muestra extremadamente pequeña, lo que dificulta la cuantificación del hidrógeno en comparación con una muestra normal”, añade el científico.

Por lo tanto, para determinar la cantidad de hidrógeno presente, tuvieron que emplear una técnica de conteo que puede detectar cantidades diminutas de material de cualquier elemento. Esta técnica, conocida como tomografía de sonda atómica (APT, por sus siglas en inglés), es la única que ofrece un mapeo completo a escala nanométrica. Gracias a esta técnica precisa de imagen, observaron cómo el hidrógeno se incorpora al núcleo desde el silicato fundido, el magma que lo rodea. El resultado final es que, si la recreación de las condiciones existentes en el núcleo terrestre es precisa, “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.

José Alberto Padrón, del Instituto Andaluz de Ciencias de la Tierra IACT-CSIS, menciona que “actualmente no se sabe la cantidad de agua interna y externa de los planetas rocosos, ni cómo se comunican”. “Y lo más interesante”, agrega, “es si esta conexión entre los reservorios profundos y superficiales determina la evolución tan distinta que ha tenido la Tierra, con océanos y tectónica de placas, en comparación con otros planetas, como Marte, que no tienen agua ni tectónica en la actualidad”.

Para aclarar estas dudas, lo primero sería, de acuerdo con Padrón, “conocer el volumen de agua e hidrógeno disuelto en el interior del planeta, lo cual es bastante complicado, ya que no tenemos acceso directo”, añade. Y concluye en la misma 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”.