Crédito de imagen: NASA
Los geólogos de la Universidad de Berkeley creen que el potasio radiactivo podría ser una fuente sustancial de calor en el núcleo de la Tierra. Sin embargo, los geólogos descubrieron que el potasio puede formar una aleación pesada con hierro a altas temperaturas y presiones, por lo que podría haberse hundido en el centro de la Tierra y podría formar un componente diminuto del núcleo, pero una quinta parte de su calor.
El potasio radioactivo, lo suficientemente común en la Tierra como para convertir a los plátanos ricos en potasio en uno de los alimentos "más calientes", también parece ser una fuente sustancial de calor en el núcleo de la Tierra, según recientes experimentos de geofísicos de la Universidad de California en Berkeley.
Se cree que el potasio radioactivo, el uranio y el torio son las tres fuentes principales de calor en el interior de la Tierra, aparte de la generada por la formación del planeta. Juntos, el calor mantiene el manto agitándose activamente y el núcleo genera un campo magnético protector.
Pero los geofísicos han encontrado mucho menos potasio en la corteza terrestre y el manto de lo que cabría esperar en función de la composición de los meteoritos rocosos que supuestamente formaron la Tierra. Si, como algunos han propuesto, el potasio faltante reside en el núcleo de hierro de la Tierra, ¿cómo llegó allí un elemento tan ligero como el potasio, especialmente porque el hierro y el potasio no se mezclan?
Kanani Lee, quien recientemente obtuvo su Ph.D. de UC Berkeley y el profesor de ciencias de la Tierra y planetarias de UC Berkeley Raymond Jeanloz han descubierto una posible respuesta. Han demostrado que a las altas presiones y temperaturas en el interior de la Tierra, el potasio puede formar una aleación con hierro nunca antes observada. Durante la formación del planeta, esta aleación de hierro y potasio podría haberse hundido hasta el núcleo, agotando el potasio en el manto y la corteza suprayacentes y proporcionando una fuente de calor de potasio radiactivo además de la suministrada por uranio y torio en el núcleo.
Lee creó la nueva aleación exprimiendo hierro y potasio entre las puntas de dos diamantes a temperaturas y presiones características de 600-700 kilómetros debajo de la superficie: 2.500 grados Celsius y casi 4 millones de libras por pulgada cuadrada, o un cuarto de millón de veces en la atmósfera. presión.
"Nuestros nuevos hallazgos indican que el núcleo puede contener hasta 1.200 partes por millón de potasio, más de una décima parte del uno por ciento", dijo Lee. “Esta cantidad puede parecer pequeña, y es comparable a la concentración de potasio radiactivo presente de forma natural en los plátanos. Sin embargo, en combinación con toda la masa del núcleo de la Tierra, puede ser suficiente para proporcionar una quinta parte del calor emitido por la Tierra ".
Lee y Jeanloz informarán sus hallazgos el 10 de diciembre, en la reunión de la American Geophysical Union en San Francisco, y en un artículo aceptado para su publicación en Geophysical Research Letters.
"Con un experimento, Lee y Jeanloz demostraron que el potasio puede ser una fuente de calor importante para el geodinamo, proporcionó una salida a algunos aspectos problemáticos de la evolución térmica del núcleo y demostró que la física moderna de los minerales computacionales no solo complementa el trabajo experimental, sino que también que puede proporcionar orientación para exploraciones experimentales fructíferas ", dijo Mark Bukowinski, profesor de ciencias de la tierra y planetarias en UC Berkeley, quien predijo la aleación inusual a mediados de la década de 1970.
El geofísico Bruce Buffett, de la Universidad de Chicago, advierte que se necesitan más experimentos para demostrar que el hierro en realidad puede extraer el potasio de las rocas de silicato que dominan el manto de la Tierra.
"Probaron que sería posible disolver el potasio en hierro líquido", dijo Buffet. “Los modeladores necesitan calor, por lo que esta es una fuente, porque el isótopo radiogénico del potasio puede producir calor y eso puede ayudar a impulsar la convección en el núcleo e impulsar el campo magnético. Probaron que podía entrar. Lo importante es cuánto se extrae del silicato. Todavía queda trabajo por hacer "
Si una cantidad significativa de potasio reside en el núcleo de la Tierra, esto aclararía una pregunta persistente: ¿por qué la proporción de potasio a uranio en meteoritos pedregosos (condritas), que presumiblemente se unieron para formar la Tierra, es ocho veces mayor que la observada? relación en la corteza terrestre. Aunque algunos geólogos han afirmado que el potasio faltante reside en el núcleo, no había ningún mecanismo por el cual pudiera haber llegado al núcleo. Otros elementos como el oxígeno y el carbono forman compuestos o aleaciones con hierro y presumiblemente fueron arrastrados por el hierro cuando se hundió hasta el núcleo. Pero a temperatura y presión normales, el potasio no se asocia con el hierro.
Otros han argumentado que el potasio perdido se evaporó durante la etapa temprana y fundida de la evolución de la Tierra.
La demostración de Lee y Jeanloz de que el potasio se puede disolver en hierro para formar una aleación proporciona una explicación de la falta de potasio.
"Al principio de la historia de la Tierra, la temperatura y la presión interior no habrían sido lo suficientemente altas como para hacer esta aleación", dijo Lee. "Pero a medida que se acumulan más y más meteoritos, la presión y la temperatura habrían aumentado hasta el punto en que podría formarse esta aleación".
La existencia de esta aleación de alta presión fue predicha por Bukowinski a mediados de la década de 1970. Utilizando argumentos de mecánica cuántica, sugirió que la alta presión exprimiría el único electrón externo del potasio en una capa inferior, haciendo que el átomo se parezca al hierro y, por lo tanto, sea más probable que se alee con hierro.
Cálculos de mecánica cuántica más recientes utilizando técnicas mejoradas, realizados con Gerd Steinle-Neumann en la Universidad de Bayerisches Geoinstittt de Bayreuth, confirmaron las nuevas mediciones experimentales.
"Esto realmente replica y verifica los cálculos anteriores hace 26 años y proporciona una explicación física de nuestros resultados experimentales", dijo Jeanloz.
Se cree que la Tierra se formó a partir de la colisión de muchos asteroides rocosos, quizás de cientos de kilómetros de diámetro, en el sistema solar temprano. A medida que la proto-Tierra se fue incrementando gradualmente, las continuas colisiones de asteroides y el colapso gravitacional mantuvieron el planeta fundido. Elementos más pesados? en particular hierro: se habría hundido hasta el núcleo en 10 a 100 millones de años, llevando consigo otros elementos que se unen al hierro.
Poco a poco, sin embargo, la Tierra se habría enfriado y se habría convertido en un globo rocoso muerto con una bola de hierro fría en el núcleo si no fuera por la liberación continua de calor por la descomposición de elementos radiactivos como el potasio 40, el uranio 238 y el torio 232 , que tienen vidas medias de 1.25 billones, 4 billones y 14 billones de años, respectivamente. Aproximadamente uno de cada mil átomos de potasio es radiactivo.
El calor generado en el núcleo convierte el hierro en una dinamo de convección que mantiene un campo magnético lo suficientemente fuerte como para proteger al planeta del viento solar. Este calor se filtra hacia el manto, causando convección en la roca que mueve las placas de la corteza y alimenta los volcanes.
Sin embargo, equilibrar el calor generado en el núcleo con las concentraciones conocidas de isótopos radiogénicos ha sido difícil, y el potasio faltante ha sido una gran parte del problema. Un investigador propuso a principios de este año que el azufre podría ayudar al potasio a asociarse con el hierro y proporcionar un medio por el cual el potasio podría llegar al núcleo.
El experimento de Lee y Jeanloz muestra que el azufre no es necesario. Lee combinó hierro puro y potasio puro en una celda de yunque de diamante y exprimió la pequeña muestra a 26 gigapascales de presión mientras calentaba la muestra con un láser por encima de 2.500 Kelvin (4.000 grados Fahrenheit), que está por encima de los puntos de fusión del potasio y el hierro. Realizó este experimento seis veces en los rayos de rayos X de alta intensidad de dos aceleradores diferentes: la Fuente de luz avanzada del Laboratorio Nacional Lawrence Berkeley y el Laboratorio de radiación de sincrotrón de Stanford, para obtener imágenes de difracción de rayos X de la estructura interna de las muestras. Las imágenes confirmaron que el potasio y el hierro se habían mezclado uniformemente para formar una aleación, al igual que el hierro y el carbono se mezclan para formar una aleación de acero.
En el teórico océano de magma de una proto-Tierra, la presión a una profundidad de 400-1,000 kilómetros (270-670 millas) estaría entre 15 y 35 gigapascales y la temperatura sería de 2,200-3,000 Kelvin, dijo Jeanloz.
"A estas temperaturas y presiones, la física subyacente cambia y la densidad de electrones cambia, haciendo que el potasio se parezca más al hierro", dijo Jeanloz. "A alta presión, la tabla periódica se ve totalmente diferente".
"El trabajo de Lee y Jeanloz proporciona la primera prueba de que el potasio es realmente miscible en hierro a altas presiones y, tal vez de manera significativa, reivindica aún más la física computacional que subyace a la predicción original", dijo Bukowinski. "Si se puede demostrar aún más que el potasio entraría en hierro en cantidades significativas en presencia de minerales de silicato, condiciones representativas de los posibles procesos de formación del núcleo, entonces el potasio podría proporcionar el calor extra necesario para explicar por qué el núcleo interno de la Tierra no se ha congelado tan grande como la historia térmica del núcleo sugiere que debería ".
Jeanloz está entusiasmado por el hecho de que los cálculos teóricos ahora no solo explican los resultados experimentales a alta presión, sino que también predicen estructuras.
"Necesitamos teóricos para identificar problemas interesantes, no solo verificar nuestros resultados después del experimento", dijo. "Eso está sucediendo ahora. En la última media docena de años, los teóricos han estado haciendo predicciones que los experimentadores están dispuestos a pasar unos años para demostrar ".
El trabajo fue financiado por la National Science Foundation y el Departamento de Energía.
Fuente original: Comunicado de prensa de la Universidad de Berkeley
