Océanos de hidrógeno en el núcleo de la Tierra: así capturó el elemento más abundante del universo

En la superficie terrestre hay muy poco hidrógeno. En la atmósfera apenas se detectan unas trazas, es mucho más ligero que el aire y ni la gravedad del planeta consigue atraparlo. Donde sí lo hay es en los mares, atrapado en forma de agua, a razón de dos partes por cada una de oxígeno. La otra gran fuente son los hidrocarburos formados hace millones de años. Pero ni sumados logran explicar la paradoja de que, siendo el elemento más abundante del universo, sea tan escaso en el planeta. Su posible existencia en el interior del globo podría resolverla. Ahora, un trabajo publicado en Nature Geoscience ha cuantificado la presencia del elemento más liviano de la tabla periódica en el núcleo terrestre. Si sus cálculos no yerran, hay decenas de veces más del que existe en todos los océanos de la Tierra.

“A partir del análisis de los meteoritos, que se supone que son los componentes básicos de los planetas rocosos, conocemos aproximadamente la composición de la Tierra, es decir, silicato más hierro metálico”, explica Dongyang Huang, profesor en la Escuela de Ciencias de la Tierra y del Espacio de la Universidad de Pekín y primer autor de esta investigación. Por la rotación y la inercia del planeta, se conoce la distribución de su masa, “con un núcleo en el centro y capas de silicatos en el exterior”, añade el investigador. Formados sobre todo por silicio y oxígeno, estos silicatos suponen hasta el 95% de la corteza terrestre. Pero el núcleo de la Tierra es más ligero de lo que debería ser la aleación de hierro y níquel que lo forma, “por lo que debe contener algunos elementos ligeros, como el carbono, el oxígeno o el hidrógeno”, detalla Huang. El hidrógeno es un buen candidato porque es el elemento más abundante en el universo y sería raro no encontrarlo aquí. “Entonces, es probable que el hidrógeno esté en el núcleo; la pregunta es cuánto”, completa el científico chino.

Para cuantificar la existencia de hidrógeno, investigadores de la Universidad de Pekín y la Escuela Politécnica Federal de Zúrich han replicado las condiciones que debe haber en el núcleo terrestre. Por otros trabajos apoyados en el estudio de meteoritos, estudios sísmicos, geológicos y del espacio exterior, se sabe de la existencia de una esfera sólida de hierro en lo más profundo, rodeada de un núcleo exterior también metálico, pero en estado líquido. Aquí es donde estaría el hidrógeno que falta. En el interior del planeta, la presión es tres millones de veces mayor que en la superficie y la temperatura alcanza los 5.500 grados. Así que replicaron estas condiciones en el laboratorio.

Para reproducir estas condiciones extremas de presión y temperatura, tomaron una minúscula muestra de hierro encapsulada en vidrio de silicato y la calentaron con un láser hasta unos 5.100 grados Kelvin, un nivel cercano al que existe en el interior del planeta. Al mismo tiempo, la sometieron a una presión enorme, de 111 gigapascales, lo que equivale a poner el peso de más de un millón de toneladas sobre un centímetro cuadrado. Las investigaciones en el campo de las altas presiones en la primera mitad del siglo pasado idearon un sistema para conseguirlas en la escala del gigapascal. Como la presión es una función de la fuerza (las toneladas) por unidad de superficie, la clave era reducir al mínimo la superficie para lograr elevar la fuerza ejercida. El resultado son las llamadas celdas de yunque, en las que se enfrentan dos puntas del mismo material y, en medio, lo que sufre la presión. En la actualidad, los yunques se hacen de diamante, el material más duro que hay en la naturaleza.

“El láser, enfocado sobre la muestra, genera una alta temperatura, que se aplica entre las puntas de dos yunques de diamante opuestos, que se presionan para generar una presión elevada”, explica Huang. Una reproducción a escala microscópica, con una fracción de una lámina de hierro de 10 micras, de algo tan macroscópico como es el núcleo terrestre introduce incertidumbre. “Dado que la presión es igual a la fuerza por área de superficie, el precio a pagar para obtener una presión tan alta es una muestra extremadamente pequeña, lo que hace que la cuantificación del hidrógeno sea varios órdenes de magnitud más difícil que en una muestra normal”, añade el científico.

Así que para saber cuánto hidrógeno había, tuvieron que recurrir a una técnica de conteo que detecta cantidades infinitesimales de material de cualquier elemento. Se llama tomografía de sonda atómica (APT, por sus siglas en inglés), la única capaz de proporcionar un mapeo completo a escala nanométrica. Gracias a esta técnica refinada de imagen, vieron cómo el hidrógeno entra en el núcleo desde el silicato fundido, lo que sería el magma que lo rodea. El resultado final es que, si la reproducción de las condiciones existentes en el núcleo terrestre es la correcta, “el núcleo terrestre contiene entre un 0,07% y un 0,36% en peso de hidrógeno, equivalente a entre 9 y 45 océanos de agua”, termina Huang.

Para José Alberto Padrón, del Instituto Andaluz de Ciencias de la Tierra IACT-CSIS, “a día de hoy no se conoce la cantidad de agua interna y externa de los planetas rocosos, ni tampoco cómo se comunican”. “Y lo que es más interesante”, añade, “si esta comunicación entre los reservorios profundos y superficiales determina la evolución tan diferente que ha tenido nuestro planeta Tierra, con océanos y tectónica de placas, y otros planetas, caso de Marte, sin agua ahora ni tectónica”.

Para despejar estas dudas, lo primero sería, según Padrón, “conocer el volumen de agua e hidrógeno disuelto en el interior del planeta, cosa muy difícil, ya que no tenemos acceso directo”, añade. Y termina en la línea de lo cuantificado por el grupo de Huang: “Se estima que entre el núcleo y el manto de la Tierra se puede almacenar el equivalente a varias decenas de océanos actuales”.