I Carnaval de Geología - ¿Cómo trabaja el interior de la Tierra y cómo afecta a su superficie?

Vista de corte del interior de la Tierra mostrando las principales capas y sus características.

Crédito: Lamb and Sington. Princeton University Press

Sabemos que la Tierra y la Luna, así como el resto de los planetas y satélites de nuestro Sistema Solar iniciaron con altas temperaturas internas hace 4.5 mil millones de años. Una vez que la acreción planetaria disminuyó, los planetas se enfriaron, primero a través de un periodo de procesos geológicos activos y posteriormente, en uno de quietud geológica. Cuando el planeta está geológicamente activo, la evidencia de dicha actividad es reflejada en la naturaleza de su superficie y atmósfera y quizás la existencia de un campo magnético. Después de que el interior se enfría y su viscosidad se incrementa lo suficiente, la actividad geológica se detiene, y la superficie del planeta detiene su regeneración. Posteriormente, solo se tienen procesos externos, tales como bombardeos con asteroides, para realizar modificaciones en la superficie.

Algunos cuerpos planetarios, como la Luna, se enfrían rápidamente, volviéndose geológicamente inactivos por miles de millones de años. A pesar del rápido enfriamiento después de la formación de la Luna, la Tierra produce y retiene el calor suficiente para mantener su actividad geológica hasta el presente, y es probable que por varios miles de millones de años más. Sin embargo, tanto el enfriamiento de la Tierra como los consiguientes cambios en su dinámica interna y el medio ambiente de su superficie, son aún poco conocidos. A pesar de que sabemos que el calor es transportado convección del manto, aún no tenemos la capacidad para describir con precisión esos patrones de convección, calcular con confianza cuán diferente era en el pasado o predecir como será en el futuro. Resolver las preguntas críticas acerca de la evolución planetaria requerirá un conocimiento más avanzado de los materiales planetarios y como éstos afectan la convección, mejores restricciones de la sismología en la configuración actual del flujo del manto en grandes y pequeñas escalas, y avances significativos en el modelaje matemático de la convección, conducida por las variaciones químicas y de temperatura.

Convección y flujo de calor

Casi 43 TW (10E12 J/s) de calor fluyen del interior hacia la superficie de la Tierra en la actualidad, basado en las mediciones globales de flujo de calor y los modelos térmicos para el enfriamiento de la litósfera oceánica. Las fuentes de los flujos de calor de la superficie incluyen el lento enfriamiento del manto y el núcleo a través de la historia del planeta, el calentamiento producido por el decaimiento radioactivo del uranio, torio y potasio, así como de fuentes menores como el calentamiento por la marea. La contribución exacta de cada flujo de calor del planeta es incierta. Por ejemplo, no sabemos cuanto uranio, torio o potasio contenía la Tierra cuando estos elementos fueron “distribuidos”. Estos elementos son más eficaces para mantener caliente el planeta si se encuentran dentro del manto o en cierta medida dentro del núcleo, en lugar de estar cerca de la superficie. Como resultado de estas incertidumbres, no podemos resolver una simple pregunta: ¿Cuán rápido se está enfriando la Tierra?

El mecanismo primario para transportar calor en el interior del planeta es la convección. Una vez se creyó que la convección en el manto no era posible porque el manto era sólido. Pero tal como los glaciares, el manto puede comportarse a la vez como un sólido quebradizo y un líquido, se fractura cuando se deforma rápidamente, pero fluye en escalas de tiempo largo. Ahora sabemos que ambos, el manto y el núcleo exterior circulan en un patrón complejo de flujos largos (Y pequeños). En el fundido núcleo exterior, el cual tiene una viscosidad muy baja (Algunas estimaciones sugieren un valor similar al del mercurio líquido), la convección es rápida. El metal líquido caliente circula hacia la parte externa del núcleo donde pierde calor en la parte del manto y entonces se hunde otra vez en un patrón turbulento que es afectado por la rotación y el campo magnético que el flujo genera. En contraste, los movimientos del manto son pesados. Las velocidades típicas son de 5cm/año (Basado en mediciones geodésicas, magnéticas, sísmicas y geológicas) y en este rango el viaje nominal de ‘ida y vuelta’ del manto (Poco más de 5000 Km) podría tomar alrededor de 300 millones de años. Este viaje es consistente con los modelos térmicos simples de convección que tratan al manto como si fuera un líquido con una viscosidad (Estimada de datos postglaciales) de 10E21 Pa-s. La configuración de la convección en el manto terrestre proporciona el control primario en como la Tierra se enfría, principalmente porque el manto constituye aproximadamente 2/3 partes de la masa terrestre, y 85% de su volumen.

Los movimientos del manto transportan material caliente desde el interior del planeta a su superficie, donde pierde su calor hacia la atmósfera y al espacio, y también transporta rocas frías de la superficie hacia las grandes profundidades. Asuntos sin resolver concernientes a la convección del manto surgen de las incertidumbres acerca de las propiedades de los materiales a altas presiones y temperaturas. Experimentos y evidencia de campo muestran que el manto de roca se vuelve lo suficientemente suave para fluir en periodos de tiempo geológico a profundidades de 30 a 60 Km, donde la temperatura supera los 700°C y la presión alcanza varios miles de atmósferas. A una temperatura más alta (Superior a los 1200°C) la viscosidad del manto de roca es lo suficientemente baja para que se comporte como un líquido espeso; casi todo el manto excede los 1200°C. La viscosidad del manto ejerce el control primario en la forma de convección y en la eficiencia en la cual es calor se mueve hacia la superficie de la Tierra. Sin embargo, hay otros factores que también son importantes. Por ejemplo, la disipación viscosa asociada con la deformación de las placas del a litósfera rígidas a zonas de subducción afecta fuertemente la forma de la convección y la relación entre el vigor convectivo y el flujo de calor a la superficie. Las mayores incertidumbres son por el manto bajo. Información sismológica sugiere que el patrón de flujo allí es complejo. Otras observaciones sugieren que la viscosidad se incrementa en el manto bajo y los modelos numéricos indican que la velocidad del flujo en el manto bajo podría ser mucho menor que la velocidad de las placas de tal manera que una vuelta completa podría tardar mil millones de años o más.

Referencias:

 

Compositional stratification in the deep mantle

Louis H. Kellog et al.

 

Understanding seismic heterogeneities in the lower mantle beneath the Americas from seismic tomography and plate tectonic history

Young Ren et al.

 

Earth Story: The Forces That Have shaped our planet

Simon Lamb & David Singleton