Simulaciones por ordenador apoyan la nueva teoría sobre el núcleo de la Tierra

Desde hace tiempo se sabe que el núcleo interno de la Tierra, una esfera que consta de una masa sólida con un radio de, aproximadamente, 1200 km, está compuesto principalmente de hierro. Sin embargo, las observaciones sísmicas han demostrado que las ondas elásticas atraviesan más rápido este núcleo en las direcciones paralelas al eje de rotación de la Tierra, que en las direcciones paralelas al ecuador, un fenómeno que no había sido explicado previamente. Hasta ahora se creía que, a altas temperaturas presentes en el núcleo de la Tierra, estas ondas deberían pasar a la misma velocidad independientemente de su dirección.
En el estudio, los científicos de la Universidad de Uppsala y KTH (Suecia) explican esta desconcertante característica. La publicación forma parte de una serie de artículos publicados por el mismo equipo investigador en Nature y Science.

Anteriormente, en 2003, los investigadores publicaron importantes pruebas teóricas de que el núcleo del planeta adquiere a altas temperaturas la denominada 'estructura cristalina cúbica' centrada en el cuerpo, una estructura que, a pesar de su alto grado de simetría, manifiesta un nivel sorprendentemente alto de anisotropía elástica, es decir, que sus propiedades elásticas dependen de la dirección.

Esta teoría sobre la estructura cristalina contradijo directamente la opinión que predominaba en aquel momento. Sin embargo, desde entonces, la teoría ha encontrado apoyo tanto experimental como teórico.

En este nuevo estudio, los investigadores presentan simulaciones de cómo se reproducen las ondas sísmicas en el hierro bajo las condiciones que imperan en el núcleo de la Tierra, mostrando una diferencia de alrededor del 12% en función de su dirección, lo que es suficiente para explicar las desconcertantes observaciones.

Para ello, en primer lugar calcularon las trayectorias de movimiento para varios millones de átomos sometidos a una fuerte interacción unos con otros. Basándose en esto, los científicos fueron capaces de determinar que el avance de las ondas de sonido realmente se describía de forma exacta en el modelo generado por ordenador para hierro bajo las condiciones que prevalecen en el núcleo de la Tierra.

“Encontramos que la estructura cúbica centrada en el cuerpo del hierro era la única estructura que podía responder a las observaciones experimentales”, comentó Börje Johansson, profesor de Teoría de la materia condensada en la Universidad de Uppsala.

El equilibrio de calor de la Tierra, como su campo magnético, depende de la cantidad de calor almacenado en el núcleo interno de la Tierra. Estas condiciones, a su vez, dependen de la estructura cristalina del hierro en el núcleo interno.
Antes estos cálculos se basaban en modelos derivados de la estructura hexagonal del hierro en el núcleo interno. Por ello, el descubrimiento de los científicos suecos suponea una reevaluación crítica del enfriamiento de la Tierra y de la estabilidad de su campo magnético.

“Este estudio abre nuevas perspectivas para nuestra comprensión del pasado, presente y futuro de la Tierra”, comentó Natalia Skorodumova, investigadora del Departamento de Física y Ciencias de los Materiales.

En sus estudios, los investigadores han utilizado modelos basados en la denominada 'Teoría del funcional de la densidad', por la que Walter Kohn recibió el Premio Nobel en 1999. Los cálculos se realizaron utilizando los superordenadores en paralelo más potentes que existen, en Estocolmo y en Linköping.

La estructura cristalina cúbica centrada en el cuerpo forma un cubo con átomos en cada esquina y con otro átomo en el centro de este cubo. Este cubo orientado de tal modo que su diagonal mayor está orientada a lo largo del eje de rotación de la tierra, lo que permite al hierro mostrar propagaciones de sonido con las velocidades observadas.