¿Por qué el núcleo de la Tierra no se ha solidificado?

Generalmente considero que "futuro previsible" significa "en mi vida", en cuyo caso la respuesta es No. Sin embargo, si realmente está preguntando, "¿Qué dice la ciencia sobre la solidificación ¹ del núcleo de la tierra?" entonces podemos responder esto.

En el centro del planeta, en realidad tenemos esta bonita imagen:

El "núcleo interno sólido" es prácticamente hierro puro a una temperatura agradable de aproximadamente 5700 K (extrañamente cercana a la temperatura de la superficie del sol ), que parece ser mayor que el punto de fusión del hierro de aproximadamente 1800 K, pero la relación Clausius-Clapeyron muestra que los puntos de fusión cambian con un aumento en la presión, por lo que todo está bien allí.

La razón por la que el calor se ha retenido en el núcleo es que los únicos procesos para mover el calor son el transporte convectivo y la conducción térmica , siendo este último un proceso bastante lento (aparte: son las corrientes convectivas las que causan el campo magnético ). Degeun et al (2013) afirman,

...la escala de tiempo dinámica de la convección térmica en el núcleo interno [es]$\sim$1 Mi o más.

Que, aunque más corta que la edad del planeta, sigue siendo bastante larga. Pero el núcleo interno también está creciendo a una tasa de aproximadamente 0,5 mm/año (posible muro de pago) y lo ha estado haciendo durante aproximadamente mil millones de años. Aunque no tiene referencia, esta respuesta de Earth.StackExchange sugiere que el núcleo se ha enfriado solo 250 K desde que se formó (una tasa de 55 K/Gyr). A ese ritmo, "... tomaría algo así como 91 mil millones de años para enfriarse a 0 K". Así que no, ¡no en nuestra vida seguro!

Tenga en cuenta también que el manto se está calentando parcialmente por desintegraciones radiactivas de uranio-238, uranio-235, torio-232 y potasio-40, todos los cuales tienen vidas medias de más de 700 millones de años (hasta unos 14 mil millones de años). para torio). Esto nos protegerá durante algún tiempo del enfriamiento completo del núcleo.

Entonces, afortunadamente para nuestro pequeño planeta, el núcleo se mantendrá agradable y cálido durante algunos miles de millones de años más (mi estimación). Desafortunadamente para el planeta, el sol pasará a la fase de gigante roja y se lo comerá antes de que el núcleo se enfríe.

^{Estoy siendo liberal con esta palabra. Como digo en otra parte, el núcleo es sólido. OP pretende que signifique un trozo de hierro frío en lugar del trozo de hierro tostado que tenemos}

¿Por qué el núcleo de la Tierra no se ha solidificado? ¿Sucederá esto en un futuro previsible?

TL; DR responde:

• ¿Por qué el núcleo de la Tierra no se ha solidificado?
  Una gran cantidad de calor residual de la formación de la Tierra permanece dentro de la Tierra. El calor se libera a medida que el hierro y el níquel se congelan en el núcleo interno sólido, lo que ralentiza este proceso de congelación. La Tierra es grande. La Luna y Marte son mucho más pequeños y todavía tienen núcleos exteriores líquidos.

• ¿Sucederá esto en un futuro previsible?
  No.

La respuesta a la segunda pregunta es no. Podría suceder en unos pocos miles de millones de años, y luego, nuevamente, podría no suceder en absoluto. El Sol se convertirá en una gigante roja en unos cinco mil millones de años y podría expandirse hasta engullir la Tierra. Si eso sucede, la Tierra desaparecerá.

La respuesta central a la primera pregunta es que una gran cantidad de calor residual de la formación de la Tierra aún permanece dentro de la Tierra, y una buena fracción de este calor residual se concentra en el núcleo de la Tierra.

Un argumento en contra de que el núcleo de la Tierra se congele pronto (p. ej., mil millones de años es "pronto") es que la Luna (Williams 2006) y Marte (Yoder 2003) todavía tienen núcleos exteriores líquidos. La Luna y Marte son mucho más pequeños que la Tierra. La ley del cuadrado-cubo sugiere que un cuerpo grande como la Tierra tendrá una velocidad de enfriamiento del núcleo aún más lenta que la de esos cuerpos mucho más pequeños. En contra de esto, la Luna y Marte tienen sistemas de convección de tapa estancada, mientras que la Tierra tiene un sistema de tectónica de placas activo. Sin embargo, que nuestra Luna todavía tenga un núcleo líquido tiene que argumentar en contra de que el núcleo de la Tierra se congele en el corto plazo.

Una clave para responder a esta pregunta es la velocidad a la que la energía térmica cruza el límite entre el núcleo y el manto. Las estimaciones de este flujo de calor varían ampliamente, desde menos de 2 teravatios hasta más de 15 teravatios. Las posibles fuentes de este flujo de calor son:

• El calor latente de congelación cuando el hierro y el níquel fundidos en el núcleo externo se congelan en el núcleo interno.
• Enfriamiento secular del núcleo interno y externo de la Tierra.
• El calentamiento gravitacional a medida que los elementos más livianos en el núcleo externo son rechazados por el proceso de congelación.
• Calentamiento radiogénico debido a la descomposición de elementos radiactivos en el núcleo de la Tierra.

El elemento final es muy controvertido. La mayoría de los geoquímicos y geofísicos opinan que hay cantidades insignificantes de elementos radiactivos ( ²³⁵ U, ²³⁸ U, ²³² Th, ⁴⁰ K) en el núcleo de la Tierra. El uranio, el torio y el potasio son elementos fuertemente litófilos. Además, son elementos incompatibles. En comparación con las condritas, estos elementos se concentran en la corteza terrestre, se agotan en el manto superior y probablemente se agoten ligeramente en el manto inferior. Estos elementos simplemente no deberían estar en el núcleo.

Recientes experimentos de detección de geoneutrinos (KamLAND 2011) refuerzan estas opiniones, al menos con respecto a ²³⁸ U y ²³² Th. (Los neutrinos producidos por ²³⁵ U y ⁴⁰ K tienen una energía demasiado baja para ser detectados por los detectores existentes). Que el uranio y el torio no estén presentes en el núcleo de la Tierra es consistente con los resultados de estas observaciones de geoneutrinos.

No obstante, varios artículos recientes (p. ej., Lay 2008) abogan por un flujo de calor muy alto en el límite entre el núcleo y el manto (CMB). Esto presenta varios problemas. Una es que significa que el núcleo interno de la Tierra es muy joven, tiene mil millones de años o menos (Labrosse 2001). Otros argumentan que el núcleo interno tiene al menos dos mil millones de años (Stacey 1999), y posiblemente incluso más. Un problema relacionado: si el núcleo interno de la Tierra es muy joven, ¿qué impulsó la geodinamo antes de la formación del núcleo interno? Otro problema es que este alto flujo de calor implica una cantidad no despreciable de calentamiento radiogénico en el núcleo de la Tierra.

Una forma de evitar este dilema es que el núcleo de la Tierra contiene una cantidad no despreciable de elementos radiactivos, particularmente ⁴⁰ K (Nimmo 2004). Otros argumentan que incluso si es posible que el potasio ingrese al núcleo, simplemente no hay suficiente potasio en la Tierra para explicar un gran flujo de calor desde el núcleo (Lassiter 2006).

Una alternativa es que se genere una cantidad considerable de calor en el CMB, en la capa D''. El reciente descubrimiento de post-perovskita podría proporcionar un mecanismo. Bien podría haber un océano de magma profundo o un derretimiento parcial en la base del manto (Labrosse 2007, Stixrude 2009). Como el uranio, el torio y el potasio son elementos incompatibles, este profundo océano de magma contendría naturalmente cantidades concentradas de esos elementos.

Referencias

KamLAND 2011. Colaboración KamLAND (2011), "Modelo de calor radiogénico parcial para la Tierra revelado por mediciones de geoneutrinos", Nature Geoscience 4.9: 647-651.

Labrosse 2001. Stephane Labrosse, Jean-Paul Poirier y Jean-Louis Le Mouël (2001), "La era del núcleo interno", Earth and Planetary Science Letters 190.3: 111-123.

Labrosse 2007. Stéphane Labrosse, JW Hernlund y Nicolas Coltice (2007), "Un océano de magma denso en cristalización en la base del manto terrestre", Nature 450.7171 : 866-869.

Lassiter 2006. JC Lassiter (2006), "Restricciones en la evolución térmica acoplada del núcleo y el manto de la Tierra, la edad del núcleo interno y el origen de la "señal central" de ¹⁸⁶ Os/ ¹⁸⁸ Os en lavas derivadas de penachos, " Cartas de Ciencias Planetarias y de la Tierra 250.1: 306-317.

Lay 2008. T. Lay, J. Hernlund y BA Buffett (2008), "Flujo de calor límite entre el núcleo y el manto", Nature Geoscience 1.1: 25-32.

Nimmo 2004. F. Nimmo, et al. (2004), "La influencia del potasio en la evolución del núcleo y la geodinamo", Geophysical Journal International 156.2: 363-376.

Stacey 1999. Frank D. Stacey y Conrad HB Stacey (1999), "Energía gravitacional de la evolución del núcleo: implicaciones para la historia térmica y la energía de la geodinamo". Física de la Tierra y los Interiores Planetarios 110.1 : 83-93.

Stixrude 2009. Lars Stixrude, et al. (2009), "Termodinámica de líquidos de silicato en la Tierra profunda", Earth and Planetary Science Letters 278.3: 226-232.

Williams 2006. JG Williams, et al. (2006), "Ciencia del alcance del láser lunar: física gravitacional e interior lunar y geodesia", Avances en la investigación espacial 37.1: 67-71.

Yoder 2003. CF Yoder, et al. (2003), "Tamaño del núcleo fluido de Marte a partir de la detección de la marea solar", Science 300.5617 : 299-303.

Las cosas calientes en la superficie de la Tierra se enfrían rápidamente porque el aire puede llevarse el calor muy fácilmente por convección. Este calor finalmente se irradia de regreso al espacio.

El núcleo exterior, por otro lado, toca el manto caliente. Debido a la diferencia de temperatura relativamente pequeña, no hay mucha transferencia de calor al manto. El manto en sí se enfría lentamente, pero esto ocurre en las zonas de subducción en el océano (que son relativamente pocas en comparación con toda la superficie del manto), ya que la corteza rocosa aísla el manto.

Además de eso, la desintegración radiactiva contribuye significativamente a mantener fundido el núcleo externo.

Entonces, no, el núcleo no se enfriará significativamente en el futuro previsible.

1. La Tierra es grande, por lo que tarda mucho tiempo en enfriarse. Tenga en cuenta que Marte, al ser más pequeño, ya se ha enfriado hasta este punto.
2. El calor de la desintegración de radioisótopos sobre algo con la relación masa/área de la tierra es significativo.

El núcleo interno de la Tierra ya es sólido. Sin embargo, no porque haga frío, sino por las altas presiones. Ahora, si el núcleo externo de la Tierra se congelará, bueno, la descomposición radiactiva calienta el núcleo externo de la Tierra. La presión también evita que el núcleo exterior de la Tierra pierda calor. Por supuesto, una parte del núcleo exterior de la Tierra se está solidificando. Los elementos más livianos se solidifican en la superficie del núcleo externo a medida que el núcleo externo pierde calor hacia el manto. Esto provoca patrones dinámicos y es una de las razones por las que la Tierra tiene un campo magnético. Mientras esto sucede, el hierro fundido se mueve a través de estos elementos más ligeros solidificados. Amplificando el campo magnético proveniente de lo más profundo del núcleo externo.

No olvides las fuerzas gravitatorias del título de la luna y el sol combinadas, que estiran y enfrían la tierra, también generan calor dentro del planeta.

Por ejemplo, tome una cuchara de plástico o algo así y comience a doblarla lentamente; dóblela hacia adelante y hacia atrás lentamente para que no se rompa y lentamente comenzará a ablandarse y, a medida que se ablande, dóblela hacia atrás cada vez más rápido hasta que en realidad se calienta lo suficiente como para causar una primera quemadura real de primer grado en el lugar que se ha doblado más.

Si no tuviéramos la luna, habríamos terminado como Marte. Marte no tiene lunas reales de las que hablar, tiene dos grandes asteroides. Si Marte tuviera una luna similar a la nuestra, habría mantenido el centro del planeta líquido y caliente, lo que tendría su campo magnético y evitaría que la atmósfera fuera arrastrada por los vientos solares....

Marte alguna vez tuvo un gran océano y una atmósfera, pero luego los perdió... Y la única forma de perder eso es perder su campo magnético... Y la única forma de perder eso es que el núcleo del planeta se enfríe.

La cantidad de radiactividad basada en los materiales de nuestro planeta Tierra no es suficiente para mantener nuestro planeta tan caliente como lo ha estado debajo de la corteza... Ciertamente, la descomposición radiactiva ha desempeñado un papel en mantener caliente el centro de nuestro planeta... Pero los dos factores principales son la alta presión y la densidad combinadas con las fuerzas del título del sol y la luna. Cuando el sol y la luna están en oposición, el planeta está ligeramente estirado y tiene una forma más ovalada... cuando el sol y la luna están en ángulos de 90° del planeta que tira del planeta de una manera diferente... Y cuando el el sol y la luna están en el mismo lado del planeta, eso empuja ese lado de ese lado del planeta aún más hacia el sol y la luna.

Así que nuestro planeta está siendo amasado constantemente como la masa de pan... y si alguna vez amasaste pan, sabes que el acto de hacerlo mantiene la masa caliente.

Además, no olvides que todos estos tirones y tirones crean una gran cantidad de fricción... Y como todos sabemos, cuando te frotas las manos y generas fricción, se calientan. Lo mismo con nuestro planeta.

Simplemente haga una búsqueda en Internet de "qué pasaría si la tierra no tuviera luna" y encontrará muchos artículos científicos que dicen que seríamos como Marte o cerca de él hoy en día. No digo que se requiera una luna para que un planeta se mantenga caliente, pero en nuestro caso, es el factor que más contribuye a evitar que nuestro núcleo se enfríe ahora.