¿Cómo es en realidad el interior del planeta Tierra?

Parece que, en general, tenemos la concepción de que la Tierra es una especie de corteza sólida rellena de magma líquido. Al fin y al cabo, el simple hecho de que existan lugares como la caldera del monte Nyiragongo (que aparece en el siguiente vídeo junto con un vulcanólogo demasiado intrépido) parece apoyar esa idea.

Pero hoy vengo a desafiar algo que habíamos dado por sentado hasta el momento: el interior de nuestro planeta es prácticamente sólido. Y digo prácticamente porque hay una parte líquida, pero no se encuentra donde la mayoría pensamos.

¡¿Pero qué me estás contando!? ¡Si ahí dentro la temperatura es de miles de grados! ¿Cómo no va a ser todo líquido? ¿Y por qué según esta imagen el núcleo externo del planeta está fundido y el resto no? ¿Y por qué sale lava del interior de la Tierra? ¡AGH! ¡Explícame todo eso o vete venderle tus informaciones a otro!

CALMA POR FAVOR, YA VOY.

Antes de empezar: el interior del planeta se mantiene caliente en gran parte gracias la desintegración de elementos radiactivos en el manto y el núcleo y, en menor medida, conserva parte del calor que se generó durante su formación. Con esto quiero aclarar que el interior del planeta no se mantiene caliente debido a la gran presión que está sometido.

Y ahora podemos seguir.

La temperatura no es el único factor que determina cuándo se va a fundir un material. Si decimos que el hielo se funde a más de 0ºC, por ejemplo, en realidad queremos decir que el hielo se funde a más de 0ºC a presión atmosférica.

Aunque pocas veces reparamos en ello, el aire tiene masa y, como todo lo que tiene masa, es atraído hacia la superficie terrestre por la gravedad de nuestro planeta. Por tanto, el aire ejerce una fuerza sobre los objetos (su propio peso). 

Pero no notamos la masa de aire que tenemos encima de nuestras cabezas como un peso muerto sobre nuestros hombros. Como explicaba en esta entrada en la que hablaba sobre los efectos de la presión si nos sumergimos en una piscina construida en la cima del Everest, la fuerza ejercida por un fluido se reparte alrededor de todo el cuerpo sobre el que actúa y lo empuja “hacia adentro” desde todas direcciones. Lo comprime, vaya.

 

Ahora imaginemos que tenemos un cubo de hierro encima de la mesa. Como tenemos un soplete a mano y nada mejor que hacer porque es navidad, salimos a la calle y empezamos a calentarlo para ver qué pasa. Llevamos con nosotros nuestro inseparable termómetro, con el que comprobamos que, cuando por fin el hierro se funde, ha alcanzado los 1.538ºC de temperatura.

Quedémonos con este ejemplo en mente. Ahora, para saber por qué gran parte del interior del planeta es sólido, habrá que entender qué pasa en realidad cuando un material se funde.

Las cosas sólidas están compuestas por átomos y moléculas y están unidas entre sí por sus enlaces. Como explicaba en esta entrada sobre cómo se forman los minerales, distintas moléculas tienen diferentes maneras de unirse entre sí para formar sólidos más grandes.

En esa misma entrada explicaba también que lo que nosotros interpretamos como calor es, en realidad, el resultado de la vibración de las moléculas. Cuanto más rápidamente vibre una molécula, más energía cinética tendrá y más caliente nos parecerá que está.

Los objetos se mantienen en forma sólida si esta vibración es lo suficientemente pequeña como para que los enlaces que las unen no se desmoronen. Si calentamos un objeto hasta el punto en que sus moléculas vibren demasiado como para poder seguir enlazadas, las moléculas se separarán y pasarán a formar una masa desordena e incoherente… Y entonces es cuando hablamos de un líquido, una sustancia sin organización molecular.

Según el material con el que estemos tratando y dependiendo de lo fuertes que sean sus enlaces, se necesita más o menos energía para que sus enlaces se rompan y la estructura se venga abajo. Cuanta más energía hace falta impartir al sistema para que sus enlaces se separen, será necesario aplicar una mayor temperatura para que se funda. El hierro tiene unos enlaces fuertes y se funde a 1.538ºC a presión atmosférica mientras que el mercurio, con unos enlaces muy débiles, se funde a -39ºC.

Pero, bueno, a lo que iba.

Si se dan las condiciones necesarias, la fuerza compresora ejercida sobre un material por la presión ayuda a que las moléculas queden bien pegadas entre sí y que sus enlaces tengan que vibrar con más fuerza para deshacerse. Es decir que, sometido a una mayor presión, habrá que calentar un material a una mayor temperatura para que se funda.

Volviendo al experimento que estábamos haciendo en el jardín, si el aire fuera más denso y, por tanto, ejerciera una fuerza compresiva sobre nuestro bloque de hierro, entonces no bastarían 1.538ºC para fundirlo: necesitaríamos calentarlo un poco más.

Esto es precisamente lo que pasa en el interior del planeta: las temperaturas son tremendas, sí, pero los kilómetros de material que hay encima de las rocas ejercen tanta fuerza sobre ellas que las moléculas que las componen no se pueden separar para formar un líquido.

¿Y entonces cómo se mueven los continentes? ¿No es gracias a que flotan sobre una capa de magma que arrastra las placas tectónicas?

SssssssssNo.

Es verdad que el manto que hay bajo la corteza del planeta se comporta como un fluido a lo largo de millones de años, pero está compuesto por roca sólida.

La roca que compone el manto terrestre se mueve gracias a la diferencia de temperaturas entre el núcleo del planeta y la superficie. El material caliente que está en contacto con el núcleo “asciende” y el que está más frío “desciende”, creando corrientes convectivas de material que arrastran consigo las placas tectónicas.

Esto son corrientes convectivas. (Fuente)

Pero para que se formen estas corrientes en el manto… ¿No debería ser líquido?

No, no hace falta. Una corriente convectiva se puede formar en un sólido. La diferencia es que en un sólido las corrientes avanzan muchísimo más despacio. Y cuando digo muchísimo, quiero decir muchísimo: el material que compone el manto se desplaza a la vertiginosa velocidad de unos 20 milímetros anuales.

Por supuesto, si pudiéramos hacer un agujero en el planeta y bajar hasta el manto para ver qué tal está todo, sólo encontraríamos roca sólida muy caliente. Es el conjunto del manto, durante escalas de tiempo larguísimas (del orden de millones de años), el que se mueve.

En esta imagen he representado, más o menos, cómo se comporta una corriente convectiva dentro del manto sólido del planeta: el material que está más cerca del núcleo se expande al estar sometido a altas temperaturas. Esta expansión fuerza al material más frío que tiene alrededor  a deformarse y apartarse de su camino, mientras el material caliente avanza por las zonas más débiles. Eventualmente, este material más caliente puede llegar hasta la superficie y empujar los continentes.

Que el material aparezca de color rojo no significa que esté fundido. El color está sólo para diferenciar la roca caliente del resto del manto.

En realidad, que el manto sea sólido tiene todo el sentido del mundo. Si el interior del planeta fuera líquido y los continentes flotaran encima de una gran piscina de magma, entonces las colisiones entre placas tectónicas no podrían formar grandes cordilleras montañosas como el Himalaya o los Andes, ya que las placas podrían volver a deslizarse fácilmente hasta su posición original.

Vale, hasta aquí bien. Pero, entonces, cómo explicas la lava, ¿eh?

La lava que vemos salir de los volcanes no viene de una reserva gigante de magma encapsulada por la corteza terrestre. El magma (recordemos que sólo se le llama lava cuando sale a la superficie) se crea de manera local.

Cuando las rocas calientes del manto consiguen subir por la corteza, la presión que actúa sobre ellas no es suficientemente alta como para evitar que la temperatura a la que están sometidas las funda. Por tanto, las rocas se vuelven líquidas (y se convierten en magma) y ganan la movilidad que les permite colarse por grietas hasta llegar a la superficie.

Bueno, vale… Y… Y… Ah, sí, ¿Y si la presión es tan grande en las profundidades de nuestro planeta, por qué el núcleo interno es sólido, pero el externo no? ¿Qué pinta ahí esa capa líquida?

Cuando la Tierra se formó, hace 4.500 millones de años, era una gigantesca bola de roca líquida extremadamente caliente. Al estar en estado líquido, los materiales más densos que contenía se hundieron hacia el núcleo del planeta por la propia gravedad, mientras que los más ligeros quedaron flotando en las capas más externas.

Por eso la corteza y el manto terrestre están compuestos en su mayoría por elementos ligeros, en su mayoría óxidos de silicio y magnesio.

En cambio, el núcleo interno y el externo del planeta están compuestos básicamente por dos metales: hierro y níquel. Estos elementos se funden a alrededor de 1.500ºC a presión atmosférica pero, presionados por miles de kilómetros de roca en el centro del planeta, la temperatura necesaria para que esto ocurra aumenta una barbaridad.

Tratemos por un momento el núcleo terrestre como una sola bola de hierro y níquel de 3.500 kilómetros de radio, sin diferenciar entre núcleo interno y externo.

La temperatura desde la parte exterior de esta bola metálica aumenta a medida que nos adentramos en ella, empezando a unos 4.000ºC en la zona donde está en contacto con el manto. La presión a la que está sometida nuestra bola también aumenta con la profundidad, por lo que también lo hace el punto de fusión del material.

En la zona más externa del núcleo, la temperatura es demasiado alta y la presión demasiado baja como para impedir que la mezcla de níquel y hierro se funda.

Pero, a una profundidad de 2.300 kilómetros a partir del borde externo del núcleo, la presión ejercida sobre el material es tan grande que su punto de fusión supera a la temperatura que lo rodea (que es de 5.700ºC) y el tremendo calor del núcleo no basta para sobreponerse a la fuerza compresiva que mantiene el metal compacto.

Para fundir esta parte del núcleo del planeta, se necesitaría una temperatura de alrededor de 6.200ºC.

Y por eso la parte externa del núcleo es líquida y la interior es sólida y las diferenciamos llamándolas núcleo interno y núcleo externo. Es una cuestión de presión.

 

 Ok, hoy me has convencido. Por cierto, ¿No tenías que decir no se qué de TU LIBRO?

¡Ah, sí! ¡Se me olvidaba! Gracias, voz cursiva.

Ciencia de Sofá tiene un libro nuevo, “Las 4 fuerzas que rigen el universo“, donde hablo sobre cómo las cuatro fuerzas fundamentales dan forma a nuestro universo, su descubrimiento y su efecto sobre nuestras vidas. Por otro lado, el libro “viejo” (“El universo en una taza de café“) va por la tercera edición y ahora vuelvo a ofrecer suscripciones a la revista de National Geographic así que, si os interesa alguna de estas propuestas, podéis acceder a una entrada donde las explico con más detalle haciendo click sobre la siguiente imagen 🙂