Océanos de hidrógeno en el interior de la Tierra: cómo se atrapó el elemento más abundante del universo

En la superficie de la Tierra hay escaso hidrógeno. En la atmósfera apenas se encuentran rastros mínimos, pues es mucho más ligero que el aire y la gravedad planetaria no logra retenerlo. Donde sí se encuentra es en los océanos, encerrado como agua, en proporción de dos átomos por cada uno de oxígeno. La otra fuente principal son los hidrocarburos formados hace millones de años. Pero incluso juntos, no bastan para explicar la paradoja de que, siendo el elemento más abundante del universo, sea tan escaso en el planeta. Su posible presencia en el interior del globo podría resolverla. Ahora, un estudio publicado en Nature Geoscience ha medido la cantidad del elemento más ligero de la tabla periódica en el núcleo terrestre. Si sus cálculos son correctos, 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 medir la presencia de hidrógeno, científicos de la Universidad de Pekín y la Escuela Politécnica Federal de Zúrich reprodujeron las condiciones que probablemente existen en el núcleo terrestre. Mediante investigaciones basadas en análisis de meteoritos, datos sísmicos, estudios geológicos y del espacio exterior, se ha confirmado la presencia de una esfera sólida de hierro en las capas más profundas, circundada por un núcleo externo también metálico pero en forma líquida. Allí es donde se encuentra el hidrógeno ausente. En el interior del planeta, la presión es tres millones de veces mayor que en la superficie y la temperatura llega a los 5.500 grados; por ello, replicaron estos entornos en el laboratorio.

Para replicar estas condiciones extremas de presión y temperatura, tomaron una mínima muestra de hierro encerrada en vidrio de silicato y la calentaron con un láser hasta aproximadamente 5.100 kelvins, un nivel cercano al que se encuentra en el interior del planeta. Al mismo tiempo, la sometieron a una presión inmensa de 111 gigapascales, lo que equivale a colocar el peso de más de un millón de toneladas sobre un centímetro cuadrado. Las investigaciones en el ámbito de las altas presiones durante la primera mitad del siglo pasado desarrollaron un sistema para alcanzarlas en la escala del gigapascal. Dado que la presión depende de la fuerza (las toneladas) por unidad de superficie, el objetivo era minimizar la superficie para incrementar la fuerza aplicada. El resultado fueron las denominadas celdas de yunque, donde dos puntas del mismo material se oponen entre sí, y en el centro se encuentra el material sometido a la presión. Hoy en día, los yunques se fabrican con diamante, el material más duro que existe 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.

Por lo tanto, para determinar la cantidad de hidrógeno presente, recurrieron a una técnica de conteo que capta cantidades infinitesimales de material de cualquier elemento. Se conoce como tomografía de sonda atómica (APT, por sus siglas en inglés), la única que permite un mapeo completo a escala nanométrica. Gracias a este método avanzado de imagen, observaron cómo el hidrógeno penetra en el núcleo desde el silicato fundido, el cual correspondería al magma que lo envuelve. El resultado final es que, si la simulación de las condiciones del núcleo terrestre es precisa, “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 aclarar estas incertidumbres, 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 concluye 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”.