Llevar calor a lugares fríos, especialmente durante el invierno, figura como una gran preocupación humana y fuente de confort. Y aunque es posible que nunca pensemos en el gigantesco horno interior de la Tierra, los humanos existen debido a los beneficios de su flujo finamente ajustado.
Investigaciones recientes muestran que es probable que la Tierra sea el campeón del flujo de calor del universo para los planetas rocosos de su tamaño y edad. A pesar del pequeño tamaño y edad de la Tierra (4.600 millones de años), el flujo de calor desde el interior hacia la superficie es de 42.000.000.000.000 vatios.1 Aproximadamente 70.000 mediciones muestran que, en promedio, cada metro cuadrado de la superficie continental de la Tierra se calienta en 92 milivatios como resultado del flujo de calor desde el interior de la Tierra. Mientras tanto, cada metro cuadrado de la superficie del océano se calienta en 67 milivatios.2 (El calor fluye más fácilmente a través de los silicatos continentales que a través de los basaltos oceánicos).
En la superficie de la Tierra, la radiación incidente del Sol domina el flujo de calor del interior de la Tierra. El Sol calienta cada metro cuadrado de la superficie de la Tierra en 340,2 vatios en promedio.3 Es decir, el flujo de calor interno representa solo el 0,024 por ciento del calentamiento de la superficie de la Tierra. Sin embargo, la radiación incidente del Sol no penetra muy profundamente. Más debajo de unas decenas de metros en la corteza terrestre, el flujo de calor interno sobrepasa el calor solar.
Fuentes de flujo de calor interior
Hay dos fuentes principales de flujo de calor desde el interior de la Tierra. El calor producido a través de la desintegración radiactiva de radioisótopos de vida media larga en el interior de la Tierra (calor radiogénico) representa aproximadamente el 58 por ciento del flujo de calor total actual.4 El calor primordial, es decir, calor perdido a medida que la Tierra continúa enfriándose a partir del calor generado por los procesos de acreción que la formaron— explica el flujo de calor interno restante.
La Tierra tiene un nivel notablemente alto de calor primordial debido a su proceso de formación único. Como todos los planetas rocosos, se formó a través de la acumulación de planetesimales, polvo y gas. El colapso gravitacional que ocurrió a través de esta acumulación generó mucho calor interno. Sin embargo, la historia de acreción de la Tierra no terminó ahí.
La Tierra experimentó otros tres grandes eventos de acreción. El más significativo de ellos fue el evento de fusión que condujo a la formación de la Luna poco menos de 100 millones de años después de la formación inicial de la Tierra. La Tierra y Theia (un planeta del 15 al 45 por ciento de la masa original de la Tierra) se fusionaron, aumentando la masa de la Tierra, produciendo la Luna y aumentando sustancialmente el calor de acreción de la Tierra.5 Poco después del evento de formación de la Luna, la Tierra recibió una bombardeo de grandes asteroides y cometas.6 Luego, hace unos 3.900 millones de años, la Tierra recibió el Bombardeo Pesado Tardío de grandes asteroides y cometas.7 En consecuencia, el calor primordial de la Tierra por acreción aumentó mucho más de lo que es típico para otros planetas rocosos de su tamaño.
La Tierra posee un nivel aún más notable de calor radiogénico. En comparación con los niveles de abundancia promedio en los exoplanetas rocosos, la Tierra posee 90 veces más potasio, 340 veces más uranio y 610 veces más torio.8 Una de las razones por las que la Tierra está tan superdotada con estos elementos se debe al momento de la formación del sistema solar y la manera única en que se formó el sistema solar. Así, todos los planetas del sistema solar están enriquecidos con estos tres elementos. Por varias razones, la Tierra está superdotada con estos elementos mucho más allá de los niveles de otros planetas del sistema solar. (Entro en más detalles en mis libros Why the Universe Is the Way It Is9 y Improbable Planet.10)
No son solo las cantidades de potasio, uranio y torio lo que importa para la vida potencial en un planeta, sino también dónde residen estos elementos dentro de un planeta. En Marte, las mediciones muestran que el peso del casquete polar no ha deprimido (empujado hacia abajo) la litosfera (corteza) subyacente. El límite superior observado en esta depresión muestra que el flujo de calor del manto actual debe ser inferior a 7 milivatios por metro cuadrado.11 Esto implica que la mayor parte del potasio, el uranio y el torio de Marte residen en su corteza y que su manto ha agotado estos elementos. Tal falta explica por qué el campo magnético del planeta, la actividad tectónica y el vulcanismo cesaron hace unos 4 mil millones de años. Mientras tanto, estas características se han mantenido en la Tierra.
Vías de flujo de calor interior
En 1862, el famoso físico británico Sir William Thomson, Baron Kelvin, calculó que la Tierra no podía tener más de 98 millones de años.12 Su cálculo se basó en estimaciones del flujo de calor interno de la Tierra en ese momento. Supuso que todo el flujo de calor interno de la Tierra provenía del calor residual de un solo evento de acreción (la condensación de la Tierra a partir de planetesimales) y que el flujo de calor del interior de la Tierra se producía estrictamente como resultado del enfriamiento conductivo. Como ya se señaló, su primera suposición era incorrecta. Su segunda suposición también era incorrecta.
La convección juega un papel mucho más importante en el transporte de calor que la conducción tanto en el manto como en el núcleo líquido de la Tierra (ver figura 1).13 Para la corteza terrestre, el modo dominante de transporte de calor es la advección volcánica. Los modos de transporte de calor dominantes en el núcleo exterior líquido y el manto son la convección. El modo de transporte de calor dominante en el núcleo interno sólido es la conducción. Como mecanismo de transporte, la convección es una razón importante por la que el flujo de calor interno de la Tierra se ha mantenido durante varios miles de millones de años.
Figura 1: Sección transversal de la Tierra que muestra sus divisiones interiores y contribuciones al flujo de calor interno total de la Tierra hacia la superficie Los porcentajes de flujo de calor son de dos papeles: S. T. Dye, “Geoneutrinos y the Radioactive Power of the Earth,” Reviews of Geophysics 50, issue 3 (September 2012): id. RG3007, doi:10.1029/2012RG0004000; Ricardo Arevalo, Jr., Willam F. McDonough, and Mario Luong, “The K/U Ratio of the Silicate Earth: Insights into Mantle Composition, Structure, and Thermal Evolution,” Earth and Planetary Science Letters 278, issues 3–4 (February 25, 2009): 361–369, doi:10.1016/j.epsl.2008.12.023. Credito de imagen: Bkilli1, Creative Commons Attribution-Share Alike
Historia del flujo de calor interior de la Tierra
El flujo de calor interior tanto del calor primordial (acrecional) como del calor radiogénico cambia con el tiempo. El calor que queda de la acumulación se disipa gradualmente a medida que fluye desde el interior profundo de la Tierra a través del manto, a través de la corteza y hacia la superficie y más allá.
Cuando la Tierra tenía menos de 100 millones de años, su calor radiogénico estaba dominado por radioisótopos de vida media corta, como aluminio-26, cesio-135, hafnio-182, hierro-60, neptunio-237, tecnecio-97 y plutonio-244. Durante los últimos 4 mil millones de años, solo cuatro radioisótopos (potasio-40, torio-232, uranio-235 y uranio-238) han representado más del 99 por ciento del calor radiogénico de la Tierra. La Figura 2 muestra las contribuciones relativas de potasio-40, torio-232, uranio-235 y uranio-238 al flujo de calor interno de la Tierra durante los últimos 4500 millones de años.14
Figura 2: Historia del flujo de calor radiogénico de los radioisótopos del interior de la Tierra. Crédito del diagrama: Hugh Ross
Beneficios del flujo de calor interior de la Tierra
La temperatura actual del manto justo debajo de la corteza oceánica de la Tierra es de 1410 °C.15 La alta temperatura actual del manto superior significa que el material del manto superior tiene una viscosidad baja (fluye más fácilmente). Una analogía familiar sería la diferencia entre una barra de mantequilla fría y una barra de mantequilla derretida en una cacerola.
Es gracias a la baja viscosidad del manto que las placas tectónicas en la corteza terrestre pueden moverse en relación con otras, una característica de la Tierra durante los últimos 3.800 millones de años. Esta actividad tectónica transformó la Tierra de un mundo acuático, donde solo existía agua en su superficie, a un planeta que posee tanto océanos superficiales como continentes superficiales. La combinación de la superficie de los océanos y los continentes y la fuerte y duradera actividad tectónica establecieron los ciclos biogeoquímicos que permitieron que la temperatura de la superficie de la Tierra se mantuviera en un nivel óptimo para la vida a pesar del brillo continuo del Sol.16 La misma combinación ha estado reciclando muchos de los nutrientes esenciales para la vida de la Tierra. Sin el flujo de calor interior fuerte y duradero de la Tierra, en el mejor de los casos, solo la vida microbiana podría haber existido en la Tierra y solo durante varios millones de años. En ese caso, la vida microbiana nunca habría podido transformar física y químicamente el entorno de la superficie de la Tierra para que pudieran existir plantas, animales y humanos.
La tasa actual de enfriamiento del manto de la Tierra es de 70 a 130 °C cada mil millones de años.17 Este enfriamiento es lo suficientemente lento como para no representar una amenaza a corto plazo para ninguna de las formas de vida actuales. Sin embargo, el enfriamiento implica que el manto de la Tierra se volverá más viscoso. Eventualmente, será tan viscoso que la actividad de las placas tectónicas se detendrá. Cuando eso suceda, la vida avanzada y, eventualmente, toda la vida se extinguirá.
Es gracias al flujo de calor interior fuerte y duradero de la Tierra que esta tiene un núcleo interno sólido y un núcleo externo líquido. El núcleo líquido de la Tierra está compuesto casi en su totalidad por los elementos ferrosos hierro, cobalto y níquel. Estos elementos fácilmente magnetizados impulsados por corrientes de convección en el núcleo externo explican por qué la Tierra ha sostenido un poderoso campo magnético durante al menos los últimos 3.700 millones de años.18
Este campo magnético poderoso y duradero ha protegido la vida en la superficie de la Tierra de las partículas mortales de alta energía que fluyen desde el Sol y de los igualmente mortales rayos cósmicos de alta energía. Sin el escudo, la radiación solar habría arrojado tanto la atmósfera de la Tierra como el agua superficial de la Tierra al espacio interplanetario.
Si no fuera por el flujo de calor interno asombrosamente poderoso y duradero de la Tierra que sale desde el horno en su núcleo, no habría civilización. De hecho, no habría humanos en la Tierra. Tampoco habría animales, árboles, plantas grandes, océanos o atmósfera. Es gracias a los diseños asombrosamente afinados de la formación de la Tierra y de su estructura interior y flujo de calor que miles de millones de humanos pueden prosperar en la Tierra, disfrutar de una civilización de alta tecnología, obtener una enorme cantidad de conocimiento y comprensión y utilizarlos para cumplir con el propósito y alcanzar el destino para el cual nuestro Creador nos hizo.
Imagen destacada: Estructura interior de la Tierra Crédito de la imagen: Kelvinsong, Creative Commons Attribution-Share Alike
Notas
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Lucazeau, “Analysis and Mapping,” 4000.
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