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

En la Tierra, el hidrógeno se encuentra en cantidades muy reducidas. En la atmósfera solo se pueden detectar algunas trazas, ya que es mucho más ligero que el aire y ni la gravedad terrestre puede retenerlo. Sin embargo, se halla en abundancia en los océanos, principalmente en forma de agua, en una proporción de dos partes por cada parte de oxígeno. Otra fuente importante son los hidrocarburos que se formaron hace millones de años. Pero, aun sumando estas cantidades, no se explica la paradoja de que, siendo el elemento más abundante en el universo, sea tan escaso en nuestro planeta. La posibilidad de su existencia en el interior de la Tierra podría aportar una solución. Recientemente, un estudio publicado en Nature Geoscience ha estimado la presencia de este elemento en el núcleo del planeta. Si sus cálculos son correctos, podría haber decenas de veces más hidrógeno que el que se encuentra en todos los océanos de la Tierra.

“A través del análisis de meteoritos, que se consideran los componentes básicos 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 autor principal de este estudio. Debido a la rotación y la inercia del planeta, se tiene una buena idea de la distribución de su masa, “con un núcleo central y capas de silicatos en el exterior”, añade el investigador. Estos silicatos, compuestos principalmente de silicio y oxígeno, representan hasta el 95% de la corteza terrestre. Sin embargo, el núcleo de la Tierra es menos denso de lo que debería ser la aleación de hierro y níquel que lo compone, “lo que sugiere que debe contener otros elementos ligeros, como carbono, oxígeno o hidrógeno”, aclara Huang. Dado que el hidrógeno es el elemento más abundante en el universo, sería inesperado no encontrarlo aquí. “Por lo tanto, es probable que el hidrógeno esté presente en el núcleo; la pregunta es cuánto”, concluye el científico chino.

Para determinar la cantidad de hidrógeno, investigadores de la Universidad de Pekín y de la Escuela Politécnica Federal de Zúrich han logrado replicar las condiciones presentes en el núcleo terrestre. Gracias a estudios previos de meteoritos, sísmicos y geológicos, se conoce la existencia de una esfera sólida de hierro en el centro del planeta, rodeada por un núcleo exterior metálico pero líquido. Es en esta región donde podría encontrarse el hidrógeno que falta. En el interior de la Tierra, la presión alcanza tres millones de veces la de la superficie y la temperatura llega a los 5,500 grados. Por ello, estas condiciones fueron recreadas en el laboratorio.

Para crear estas condiciones extremas de presión y temperatura, se tomó una minúscula muestra de hierro encapsulada en vidrio de silicato y se calentó con un láser a aproximadamente 5,100 grados Kelvin, una temperatura cercana a la que se encuentra en el interior del planeta. Al mismo tiempo, se le aplicó una presión colosal de 111 gigapascales, equivalente al peso de más de un millón de toneladas sobre un centímetro cuadrado. Las investigaciones sobre altas presiones de la primera mitad del siglo XX desarrollaron un sistema para lograrlas en la escala del gigapascal. Dado que la presión es una función de la fuerza (en toneladas) por unidad de superficie, la clave es minimizar la superficie para maximizar la fuerza aplicada. Esto ha dado lugar a las celdas de yunque, donde se enfrentan dos puntas del mismo material y, entre ellas, se coloca la muestra que sufre la presión. Hoy en día, estas celdas son fabricadas con diamantes, el material más duro disponible en la naturaleza.

“El láser, al enfocarse en la muestra, crea una alta temperatura que se aplica entre las puntas de los dos yunques de diamante opuestos, los cuales se presionan para generar la elevada presión”, aclara Huang. Dado que se está realizando una reproducción a escala microscópica de algo tan monumental como el núcleo terrestre, esto introduce cierta incertidumbre. “La presión, como se mencionó, es igual a la fuerza dividida por el área, por lo que para alcanzar una presión tan alta se requieren muestras extremadamente pequeñas, complicando la cuantificación del hidrógeno en comparación con muestras convencionales”, añade el investigador.

Para determinar la concentración de hidrógeno, emplearon una técnica de conteo capaz de detectar cantidades infinitesimales de material de cualquier elemento. Se denomina tomografía de sonda atómica (APT, por sus siglas en inglés), que es la única capaz de ofrecer un mapeo completo a escala nanométrica. Gracias a esta técnica avanzada de imagen, observaron cómo el hidrógeno se introduce en el núcleo desde el silicato fundido, lo que sería el magma a su alrededor. El resultado es que, si su recreación de las condiciones en el núcleo terrestre es precisa, “el núcleo contiene entre un 0.07% y un 0.36% en peso de hidrógeno, equivalente a entre 9 y 45 océanos de agua”, concluye Huang.

Según José Alberto Padrón, del Instituto Andaluz de Ciencias de la Tierra IACT-CSIS, “actualmente no se conoce la cantidad de agua, interna y externa, de los planetas rocosos, ni cómo se relacionan entre sí”. “Y lo que es aún más interesante”, añade, “es si esta conexión entre los reservorios profundos y superficiales influye en la evolución tan diversa que ha tenido nuestro planeta Tierra, caracterizada por océanos y tectónica de placas, en comparación con otros planetas, como Marte, que carece de agua y tectónica en la actualidad.”

Para aclarar estas cuestiones, lo fundamental sería, según Padrón, “determinar el volumen de agua e hidrógeno disuelto en el interior del planeta, algo complejo, ya que no tenemos acceso directo a esas profundidades”, señala. Y concluye en sintonía con lo cuantificado por el grupo de Huang: “Se estima que entre el núcleo y el manto de la Tierra se podría almacenar el equivalente a varias decenas de océanos actuales”.