Océanos de hidrógeno en el núcleo terrestre: cómo se retuvo el elemento más común del universo | Ciencia

El hidrógeno es escaso en la superficie terrestre. En la atmósfera solo se encuentran pequeñas trazas debido a su ligereza; ni siquiera la gravedad puede retenerlo. Sin embargo, se encuentra en grandes cantidades en los océanos, donde está combinado con oxígeno en forma de agua, en una proporción de dos partes de hidrógeno por cada parte de oxígeno. Otra fuente importante son los hidrocarburos, formados hace millones de años. Sin embargo, ni estas fuentes logran explicar por qué, a pesar de ser el elemento más abundante en el universo, es tan raro en la Tierra. Una posible respuesta podría estar en su presencia en el núcleo del planeta. Recientemente, un estudio publicado en Nature Geoscience ha cuantificado la cantidad de hidrógeno presente en el núcleo terrestre, sugiriendo que hay decenas de veces más de lo que existe en todos los océanos del planeta.

“A través del análisis de meteoritos, que se consideran los bloques básicos de los planetas rocosos, hemos llegado a comprender la composición de la Tierra, compuesta principalmente de silicato y hierro metálico”, aclara Dongyang Huang, profesor en la Escuela de Ciencias de la Tierra y del Espacio de la Universidad de Pekín y autor principal del estudio. Debido 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 el exterior”, añade el investigador. Los silicatos, formados principalmente por silicio y oxígeno, constituyen hasta el 95% de la corteza terrestre. Sin embargo, el núcleo de la Tierra es más ligero de lo que se esperaría en una aleación de hierro y níquel, “lo que indica la presencia de elementos ligeros como el carbono, el oxígeno o el hidrógeno”, explica Huang. El hidrógeno es un fuerte candidato, dado que es el elemento más común en el universo, y sería inesperado no encontrarlo aquí. “Así que es probable que el hidrógeno esté en el núcleo; la cuestión es cuánto”, concluye el científico chino.

Para estimar la cantidad de hidrógeno presente, investigadores de la Universidad de Pekín y de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich han recreado las condiciones que existen en el núcleo terrestre. A partir de estudios sobre meteoritos, investigaciones sísmicas, geológicas y observaciones del espacio, se ha confirmado la existencia de una esfera sólida de hierro en el centro, rodeada por un núcleo exterior metálico en estado líquido. Aquí sería donde se encuentra el hidrógeno que falta. Dentro de la Tierra, la presión es tres millones de veces superior a la de la superficie y la temperatura alcanza los 5.500 grados. Por lo tanto, replicaron estas condiciones en un laboratorio.

Para simular estas extremas condiciones de presión y temperatura, utilizaron una diminuta muestra de hierro encapsulada en vidrio de silicato, la cual fue calentada con un láser hasta alcanzar aproximadamente 5.100 grados Kelvin, casi el mismo nivel que el interior del planeta. Al mismo tiempo, la muestra fue colocada bajo una extraordinaria presión de 111 gigapascales, equivalente a colocar más de un millón de toneladas sobre un centímetro cuadrado. Investigaciones sobre altas presiones en la primera mitad del siglo XX desarrollaron métodos para lograr estas condiciones a escala de gigapascales. Al ser la presión una función de la fuerza (las toneladas) por unidad de superficie, la clave era minimizar la superficie para maximizar la fuerza aplicada. Así nacieron las celdas de yunque, en las que se enfrentan dos puntas del mismo material y, en el medio, se coloca el material que padece la presión. Actualmente, estos yunques se fabrican con diamante, el material más resistente que existe.

“El láser, al ser dirigido hacia la muestra, produce altas temperaturas que se aplican entre las puntas de dos yunques de diamante opuestos, los cuales se presionan para generar una elevada presión”, explica Huang. La miniaturización de este proceso, que simula macroscopicamente el núcleo terrestre, introduce incertidumbres. “Dado que la presión es igual a la fuerza dividida por área de superficie, el coste de obtener presiones tan altas es la necesidad de una muestra extremadamente pequeña, lo que torna la cuantificación del hidrógeno considerablemente más complicada que en una muestra normal”, añade el científico.

Para determinar la cantidad de hidrógeno, tuvieron que emplear una técnica que puede detectar cantidades mínimas de cualquier elemento; se conoce como tomografía de sonda atómica (APT, por sus siglas en inglés), la única que permite una cartografía completa a escala nanométrica. Gracias a esta avanzada técnica de imagen, observaron cómo el hidrógeno se incorpora al núcleo desde el silicato fundido que lo rodea. Finalmente, los resultados indican que, si las condiciones reproductivas del núcleo terrestre son correctas, “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 cómo se interrelacionan”. “A lo que es aún más interesante”, agrega, “es que esta interacción entre los reservorios profundos y superficiales puede ser la razón de la evolución diversa de nuestro planeta Tierra, con océanos y tectónica de placas, frente a otros planetas como Marte, que actualmente no tiene agua ni tectónica”.

Para resolver estas incógnitas, lo prioritario sería, según Padrón, “determinar el volumen de agua e hidrógeno disuelto en el interior del planeta, algo bastante complicado, puesto que no tenemos acceso directo”, añade. Y finaliza en línea con 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”.