Un material eléctrico en el manto podría explicar la rotación de la Tierra

Corte en sección transversal de las capas que constituyen el planeta Tierra. (Wikipedia)

Artículo publicado por Kate McAlpine el 19 de enero de 2012 en Science Now

Cuando se trata de la rotación de la Tierra, podrías pensar que los geofísicos lo tienen todo bastante calculado. Aún no. Para explicar algunas variaciones en la forma en que gira el planeta, el manto de la Tierra – la capa de roca caliente fundida que está entre la corteza y el núcleo – debe conducir la electricidad,una capacidad que no debería tener el manto que conocemos. Ahora, un nuevo estudio ha encontrado que el monóxido de hierro, que forma el 9% del manto, en realidad conduce la electricidad como un metal, pero sólo a las temperaturas y presiones encontradas bajo la superficie.

El giro de la Tierra no está exento de fallos. Los geofísicos han descubierto que el tiempo que necesita nuestro planeta para completar una rotación – la duración de un día -fluctúa ligeramente a lo largo de meses o años. También han observado una oscilación adicional predecible en el bamboleo del eje de rotación de la Tierra, como el balanceo de una peonza. Las variaciones están probablemente provocadas por el núcleo interno de hierro sólido, el núcleo exterior de metal líquido, y el manto rocoso, todos girando a velocidades ligeramente diferentes. La fricción les ayuda a alinearse, y el campo magnético del núcleo externo puede tirar del material del núcleo interior. Pero para encajar las observaciones, el núcleo debería también ejercer su tirón magnético sobre el manto, dice Bruce Buffett, experto en ciencias de la Tierra de la Universidad de California en Berkeley, que no estuvo implicado en el nuevo estudio. Esto significa que una capa del manto debe ser capaz de conducir la electricidad. Pero, comenta, “el origen de la capa metálica sigue siendo una cuestión abierta”.

El componente principal de la roca del manto, incluido el monóxido de hierro, no conduce la electricidad a las temperaturas y presiones que solemos tener aquí en la superficie. Pero la investigación en la década de 1980 sugería que las cosas podrían ser algo distintas en las profundidades: Una corriente eléctrica pasaba a través del material más fácilmente cuando se exponía a una onda de choque. La presión de la onda de choque comprimía la ordenación del hierro y el oxígeno en el monóxido de hierro, permitiendo que los electrones viajasen más libremente entre átomos.

Este trabajo picó la curiosidad de Kenji Ohta, que estudió materiales bajo condiciones extremas en la Universidad de Osaka en Japón. Para calcular si la presión podría convertir al monóxido de hierro en un conductor en el manto de la Tierra, Ohta y sus colegas calentaron un disco del material con un láser, y lo comprimieron en un yunque de diamante. A la vez, midieron lo bien que conducía la electricidad haciendo pasar una corriente a través del mismo mientras también monitorizaban la ordenación de sus átomos con rayos-X. Aproximadamente a 700 000 veces la presión de la atmósfera terrestre y a una temperatura de 1600 ºC, el equipo encontró que el monóxido de hierro conducía la electricidad igual de bien que un metal.

El monóxido de hierro había hecho la transición de no conductor a conductor, pero su estructura no había cambiado. En lugar de esto, había creado un nuevo tipo de transición, dice el geofísico Ronald Cohen de la Institución Carnegie para la Ciencia en Washington D.C., que lideró la simulación por computador del monóxido de hierro. El cambio depende de las propiedades magnéticas del material a altas temperaturas. En el monóxido de hierro no conductor, cada electrón potencialmente móvil está atrapado en un átomo de hierro. No pueden moverse fácilmente a través del cristal, pero pueden alinearse con los campos magnéticos como la aguja de una brújula – es decir, están en un estado magnético. A altas temperaturas y presiones, los electrones empiezan a fluctuar entre el estado magnético y el no magnético, en el cual ya no responden al campo magnético. Esto corta su ligadura con los átomos, y se mueven libremente como en un metal, según informa el equipo el 12 de enero en Physical Review Letters.

Cuando los investigadores elevaron la presión a 1,4 millones de atmósferas y la temperatura a 2200 ºC, condiciones comparables a las del interior de la Tierra, el monóxido de hierro seguía en una forma metálica. Luego predijeron la conductividad a 3430 ºC – la temperatura en el límite entre el manto y el núcleo – y encontraron que el monóxido de hierro permanecía como un respetable conductor.

Buffett señala que el 9% del monóxido de hierro del manto no es suficiente para garantizar que se forme una capa conectada. Estaría concentrado cerca del núcleo externo, formando posiblemente el 90% del material que hay allí. Buffett apunta que otros investigadores han propuesto reacciones químicas entre el manto y el núcleo que podría producir compuestos similares al monóxido de hierro. “Los impresionantes avances recientes tanto en experimentos como en teoría” podrían evaluar pronto la plausibilidad de una capa de monóxido de hierro, comenta.

Artículo traducido y posteado en Ciencia Kanija, el original se publicó en Science, su autora es Kate McAlpine.