Balance de calor interno de la Tierra

El balance de calor interno de la Tierra es fundamental para la historia térmica de la Tierra. El flujo de calor desde el interior de la Tierra hacia la superficie se estima en 47 ± 2 teravatios (TW) y proviene de dos fuentes principales en cantidades aproximadamente iguales: el calor radiogénico producido por la desintegración radiactiva de los isótopos en el manto y la corteza, y el calor primordial calor sobrante de la formación de la Tierra.

El calor interno de la Tierra viaja a lo largo de gradientes geotérmicos y alimenta la mayoría de los procesos geológicos. Impulsa la convección del manto, la tectónica de placas, la formación de montañas, el metamorfismo de las rocas y el vulcanismo. También se teoriza que la transferencia de calor por convección dentro del núcleo metálico de alta temperatura del planeta sostiene una geodinamo que genera el campo magnético de la Tierra.

A pesar de su importancia geológica, el calor interior de la Tierra aporta solo el 0,03 % del presupuesto energético total de la Tierra en la superficie, que está dominada por 173 000 TW de radiación solar entrante. Esta fuente de energía externa impulsa la mayoría de los procesos atmosféricos, oceánicos y biológicos del planeta. Sin embargo, en la tierra y en el fondo del océano, el calor sensible absorbido por la insolación no reflejada fluye hacia adentro solo por conducción térmica y, por lo tanto, penetra solo varias decenas de centímetros en el ciclo diario y solo varias decenas de metros en el ciclo anual. Esto hace que la radiación solar sea mínimamente relevante para los procesos internos de la corteza terrestre.

Los datos globales sobre la densidad del flujo de calor son recopilados y compilados por la Comisión Internacional de Flujo de Calor de la Asociación Internacional de Sismología y Física del Interior de la Tierra.

Calor y estimación temprana de la edad de la Tierra

Basándose en cálculos de la tasa de enfriamiento de la Tierra, que suponía una conductividad constante en el interior de la Tierra, en 1862 William Thomson, más tarde Lord Kelvin, estimó la edad de la Tierra en 98 millones de años, lo que contrasta con la edad de 4.500 millones de años obtenida en el siglo XX. siglo por datación radiométrica. Como señaló John Perry en 1895una conductividad variable en el interior de la Tierra podría ampliar la edad calculada de la Tierra a miles de millones de años, como se confirmó más tarde mediante la datación radiométrica. Contrariamente a la representación habitual del argumento de Thomson, el gradiente térmico observado de la corteza terrestre no se explicaría por la adición de radiactividad como fuente de calor. Más significativamente, la convección del manto altera la forma en que se transporta el calor dentro de la Tierra, lo que invalida la suposición de Thomson de un enfriamiento puramente conductivo.

Flujo de calor interno global

Las estimaciones del flujo de calor total desde el interior de la Tierra hasta la superficie abarcan un rango de 43 a 49 teravatios (TW) (un teravatio son 10 vatios). Una estimación reciente es de 47 TW, equivalente a un flujo de calor promedio de 91,6 mW/m, y se basa en más de 38 000 mediciones. Los respectivos flujos de calor medios de la corteza continental y oceánica son 70,9 y 105,4 mW/m.

Si bien el flujo de calor interno total de la Tierra hacia la superficie está bien limitado, la contribución relativa de las dos fuentes principales de calor de la Tierra, el calor radiogénico y primordial, es muy incierta porque su medición directa es difícil. Los modelos químicos y físicos arrojan rangos estimados de 15 a 41 TW y de 12 a 30 TW para el calor radiogénico y el calor primordial, respectivamente.

La estructura de la Tierra es una corteza externa rígida que se compone de una corteza continental más gruesa y una corteza oceánica más delgada, un manto sólido pero que fluye plásticamente, un núcleo externo líquido y un núcleo interno sólido. La fluidez de un material es proporcional a la temperatura; por lo tanto, el manto sólido aún puede fluir en escalas de tiempo largas, en función de su temperaturay por lo tanto en función del flujo de calor interno de la Tierra. El manto se convecta en respuesta al calor que escapa del interior de la Tierra, con un manto más caliente y flotante que se eleva y un manto más frío y, por lo tanto, más denso que se hunde. Este flujo convectivo del manto impulsa el movimiento de las placas litosféricas de la Tierra; por lo tanto, una reserva adicional de calor en el manto inferior es fundamental para el funcionamiento de la tectónica de placas y una posible fuente es un enriquecimiento de elementos radiactivos en el manto inferior.

El transporte de calor terrestre ocurre por conducción, convección del manto, convección hidrotermal y advección volcánica. Se cree que el flujo de calor interno de la Tierra hacia la superficie se debe en un 80 % a la convección del manto, mientras que el resto del calor se origina principalmente en la corteza terrestre, y alrededor del 1 % se debe a la actividad volcánica, los terremotos y la formación de montañas. Por lo tanto, alrededor del 99% de la pérdida de calor interna de la Tierra en la superficie es por conducción a través de la corteza, y la convección del manto es el control dominante en el transporte de calor desde las profundidades de la Tierra. La mayor parte del flujo de calor de la corteza continental más gruesa se atribuye a fuentes radiogénicas internas; en contraste, la corteza oceánica más delgada tiene solo un 2% de calor radiogénico interno.El flujo de calor restante en la superficie se debe al calentamiento basal de la corteza por la convección del manto. Los flujos de calor se correlacionan negativamente con la edad de la roca, con los flujos de calor más altos de la roca más joven en los centros de expansión de la dorsal oceánica (zonas de afloramiento del manto), como se observa en el mapa global del flujo de calor de la Tierra.

Fuentes de calor

Calor radiogénico

La desintegración radiactiva de elementos en el manto y la corteza de la Tierra da como resultado la producción de isótopos hijos y la liberación de geoneutrinos y energía térmica, o calor radiogénico. Alrededor del 50% del calor interno de la Tierra se origina en la desintegración radiactiva. Cuatro isótopos radiactivos son responsables de la mayor parte del calor radiogénico debido a su enriquecimiento en relación con otros isótopos radiactivos: uranio-238 (U), uranio-235 (U), torio-232 (Th) y potasio-40 (K). Debido a la falta de muestras de rocas por debajo de los 200 km de profundidad, es difícil determinar con precisión el calor radiogénico en todo el manto, aunque se dispone de algunas estimaciones.

Para el núcleo de la Tierra, los estudios geoquímicos indican que es poco probable que sea una fuente importante de calor radiogénico debido a la baja concentración prevista de elementos radiactivos que se dividen en hierro. La producción de calor radiogénico en el manto está vinculada a la estructura de la convección del manto, un tema de mucho debate, y se cree que el manto puede tener una estructura en capas con una mayor concentración de elementos radiactivos que producen calor en el manto inferior, o pequeños reservorios enriquecidos en elementos radiactivos dispersos por todo el manto.

Isótopo	Liberación de calor W/isótopo kg	años de vida media	Concentración media del manto isótopo kg/kg manto	Liberación de calor W/kg manto
el	26,4 × 10	14.0 × 10	124 × 10	3,27 × 10
tu	94,6 × 10	4,47 × 10	30,8 × 10	2,91 × 10
k	29,2 × 10	1,25 × 10	36,9 × 10	1,08 × 10
tu	569 × 10	0.704 × 10	0,22 × 10	0,125 × 10

Los detectores de geoneutrinos pueden detectar la descomposición de U y Th y, por lo tanto, permitir la estimación de su contribución al balance de calor radiogénico actual, mientras que U y K no son detectables. Independientemente, se estima que K aporta 4 TW de calefacción. Sin embargo, debido a las vidas medias cortas, la descomposición de U y K contribuyó con una gran fracción del flujo de calor radiogénico a la Tierra primitiva, que también era mucho más caliente que en la actualidad. Los resultados iniciales de la medición de los productos de geoneutrinos de la desintegración radiactiva desde el interior de la Tierra, un indicador del calor radiogénico, arrojaron una nueva estimación de que la mitad de la fuente de calor interna total de la Tierra es radiogénica, y esto es consistente con estimaciones anteriores.

Calor primordial

El calor primordial es el calor perdido por la Tierra a medida que continúa enfriándose desde su formación original, y esto contrasta con su calor radiogénico que todavía se produce activamente. Se cree que el flujo de calor del núcleo de la Tierra (el calor que sale del núcleo y fluye hacia el manto que lo recubre) se debe al calor primordial y se estima en 5 a 15 TW. Las estimaciones de la pérdida de calor primordial del manto oscilan entre 7 y 15 TW, que se calcula como el resto del calor después de eliminar el flujo de calor del núcleo y la producción de calor radiogénico en masa de la Tierra a partir del flujo de calor superficial observado.

La formación temprana del núcleo denso de la Tierra podría haber causado un sobrecalentamiento y una rápida pérdida de calor, y la tasa de pérdida de calor se reduciría una vez que el manto se solidificara. El flujo de calor del núcleo es necesario para mantener la convección del núcleo exterior y la geodinamo y el campo magnético de la Tierra; por lo tanto, el calor primordial del núcleo permitió la atmósfera de la Tierra y ayudó a retener el agua líquida de la Tierra.

Flujo de calor y placas tectónicas

La controversia sobre la naturaleza exacta de la convección del manto hace que la evolución vinculada del balance de calor de la Tierra y la dinámica y la estructura del manto sean difíciles de desentrañar. Hay evidencia de que los procesos de tectónica de placas no estaban activos en la Tierra antes de hace 3200 millones de años, y que la pérdida de calor interna de la Tierra temprana podría haber estado dominada por la advección a través del vulcanismo de tubos de calor. Los cuerpos terrestres con flujos de calor más bajos, como la Luna y Marte, conducen su calor interno a través de una sola placa litosférica, y los flujos de calor más altos, como en la luna Io de Júpiter, dan como resultado un transporte de calor por advección a través de un vulcanismo mejorado, mientras que la tectónica de placas activa de la Tierra ocurren con un flujo de calor intermedio y un manto convectivo.