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

Question

La Tierra tiene miles de millones de años y, sin embargo, su núcleo aún no se ha enfriado ni solidificado. ¿Sucederá esto en un futuro previsible?

Answer 1

Por lo general, considero que "futuro previsible" significa "en mi vida", en cuyo caso la respuesta es No . Sin embargo, si realmente se pregunta "¿Qué dice la ciencia sobre la solidificación 1 del núcleo de la Tierra", entonces podemos responder a esto.

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

El "núcleo interno sólido" es más o menos hierro puro a una bonita temperatura de unos 5700 K (extrañamente cercana a la temperatura de la superficie del sol ), que parece ser mayor que el punto de fusión del hierro, de unos 1800 K, pero el Relación Clausius-Clapeyron muestra que los puntos de fusión cambian con el aumento de la presión, así que todo está bien ahí.

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

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

Que, aunque es más corto que la edad del planeta, sigue siendo bastante largo. Pero el núcleo interno también es creciendo a un ritmo de unos 0,5 mm/año (posible muro de pago) y lleva haciéndolo desde hace unos mil millones de años. Aunque sin referencias, esta respuesta de Earth.StackExchange sugiere que el núcleo se ha enfriado sólo 250 K desde que se formó (una tasa de 55 K/Gyr). A ese ritmo, "...tardaría algo así como 91.000 millones de años en enfriarse a 0 K". Así que no, ¡seguro que no en nuestra vida!

Obsérvese también que el manto se parcialmente calentado por desintegración radiactiva de Uranio-238, Uranio-235, Torio-232 y Potasio-40, todos ellos con vidas medias superiores a los 700 millones de años (hasta unos 14.000 millones de años para el Torio). Esto nos protegerá durante algún tiempo del enfriamiento completo del núcleo.

Así que, afortunadamente para nuestro pequeño planeta, el núcleo se mantendrá agradable y cálido durante unos cuantos miles de millones de años más (según mis cálculos). Por desgracia para el planeta, el sol pasará a la fase de gigante roja y lo devorará antes de que el núcleo se enfríe.

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

Answer 2

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

Respuestas TL;DR:

• ¿Por qué no se ha solidificado el núcleo de la Tierra?
  Una gran cantidad de calor residual de la formación de la Tierra permanece en su interior. 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. Puede que ocurra dentro de unos cuantos miles de millones de años, pero también puede que no ocurra. El Sol se convertirá en una gigante roja dentro de unos cinco mil millones de años y podría expandirse hasta engullir la Tierra. Si eso ocurre, la Tierra desaparecerá.

La respuesta básica a la primera pregunta es que una gran cantidad de calor residual de la formación de la Tierra aún permanece en su interior, 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 (por ejemplo, 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. El ley del cubo cuadrado sugiere que un cuerpo grande como la Tierra tendrá una tasa de enfriamiento del núcleo aún más lenta que la de los 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, el hecho de que nuestra Luna todavía tenga un núcleo líquido tiene que argumentar en contra de que el núcleo de la Tierra se congele pronto.

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

• Calor latente de congelación a medida que 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.
• Calentamiento gravitacional, ya que los elementos más ligeros del núcleo externo son rechazados del proceso de congelación.
• Calentamiento radiogénico por desintegración de elementos radiactivos en el núcleo de la Tierra.

El último punto es muy controvertido. La mayoría de los geoquímicos y geofísicos opinan que sólo 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 agotan ligeramente en el manto inferior. Estos elementos no deberían estar en el núcleo.

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

Sin embargo, varios trabajos recientes (por ejemplo, Lay 2008) defienden un flujo de calor núcleo-mantel (CMB) muy elevado. Esto plantea varios problemas. Uno de ellos es que significa que el núcleo interno de la Tierra es muy joven, de mil millones de años o menos (Labrosse 2001). Otros sostienen 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 geodinámica antes de la formación del núcleo interno? Otro problema es que este elevado 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, especialmente 40 K (Nimmo 2004). Otros argumentan que incluso si es posible que el potasio entre en el 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 la posperovskita podría proporcionar un mecanismo. También podría haber un océano de magma profundo o una fusión parcial en la base del manto (Labrosse 2007, Stixrude 2009). Como el uranio, el torio y el potasio son elementos incompatibles, este océano magmático profundo contendría naturalmente cantidades concentradas de esos elementos.

Referencias

KamLAND 2011. Colaboración KamLAND (2011), "Partial radiogenic heat model for Earth revealed by geoneutrino measurements," Geociencia de la Naturaleza 4.9 : 647-651.

Labrosse 2001. Stéphane Labrosse, Jean-Paul Poirier y Jean-Louis Le Mouël (2001), "La edad del núcleo interno". Cartas de Ciencias de la Tierra y Planetarias 190.3 : 111-123.

Labrosse 2007. Stéphane Labrosse, J. W. Hernlund, y Nicolas Coltice (2007), "A crystallizing dense magma ocean at the base of the Earth's mantle," Naturaleza 450.7171 : 866-869.

Lassiter 2006. J. C. Lassiter (2006), "Constraints on the coupled thermal evolution of the Earth's core and mantle, the age of the inner core, and the origin of the 186 Os/ 188 Os "core signal" en las lavas derivadas de la pluma". Cartas de Ciencias de la Tierra y Planetarias 250.1 : 306-317.

Lay 2008. T. Lay, J. Hernlund, y B.A. Buffett (2008), "Core-mantle boundary heat flow," Geociencia de la Naturaleza 1.1 : 25-32.

Nimmo 2004. F. Nimmo, et al. (2004), "The influence of potassium on core and geodynamo evolution," Revista Geofísica Internacional 156.2 : 363-376.

Stacey 1999. Frank D. Stacey y Conrad HB Stacey (1999), "Gravitational energy of core evolution: implications for thermal history and geodynamo power". Física de la Tierra y de los interiores planetarios 110.1 : 83-93.

Stixrude 2009. Lars Stixrude, et al. (2009), "Thermodynamics of silicate liquids in the deep Earth," Cartas de Ciencias de la Tierra y Planetarias 278.3 : 226-232.

Williams 2006. J. G. Williams, et al. (2006), "Lunar laser ranging science: gravitational physics and lunar interior and geodesy," Avances en la investigación espacial 37.1 : 67-71.

Yoder 2003. C. F. Yoder, et al. (2003), "Fluid core size of Mars from detection of the solar tide," Ciencia 300.5617 : 299-303.

Answer 3

Las cosas calientes en la superficie de la Tierra se enfrían rápidamente porque el aire puede transportar el calor con bastante facilidad por convección. Este calor acaba siendo irradiado al espacio.

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

Además, la desintegración radiactiva contribuye en gran medida a mantener fundido el núcleo externo.

Así que, no, el núcleo no se enfriará significativamente en un futuro previsible.

Answer 4

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

Answer 5

No hay que olvidar que 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, coge una cuchara de plástico o algo así y empieza a doblarla lentamente -dóblala hacia delante y hacia atrás lentamente para que no se rompa y poco a poco empezará a ablandarse y a medida que se ablande, dóblala cada vez más rápido hasta que se caliente lo suficiente como para causar una primera quemadura real de primer grado en el punto que más se ha doblado.

Si no tuviéramos la Luna, habríamos acabado como Marte. Marte no tiene verdaderas lunas, 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 e impediría que la atmósfera fuera arrastrada por los vientos solares....

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

La cantidad de radiactividad basada en los materiales de nuestro planeta tierra no son suficientes para mantener nuestro planeta tan cálido y caliente como lo ha sido bajo la corteza... Ciertamente, la desintegración radiactiva ha desempeñado un papel en el mantenimiento del calor en 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 se estira ligeramente y tiene una forma más ovalada... cuando el sol y la luna están en ángulos de 90º del planeta eso tira del planeta de una manera diferente... Y cuando el sol y la luna están en el mismo lado del planeta, eso tira de ese lado del planeta aún más hacia el sol y la luna.

Así que nuestro planeta se amasa constantemente como la masa del pan.... y si alguna vez has amasado pan, sabes que el acto de hacerlo mantiene la masa caliente.

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

Sólo hay que hacer una búsqueda en Internet de "qué pasaría si la Tierra no tuviera luna" y se encontrarán muchos artículos científicos que dicen que hoy en día seríamos como Marte o casi. No digo que la luna sea necesaria para que un planeta se mantenga caliente, pero en nuestro caso, es el factor que más contribuye a evitar que nuestro núcleo sea frío a estas alturas.