Núcleo exterior de la Tierra

Estructura de la Tierra y la atmósfera

El núcleo exterior de la Tierra es una capa fluida de unos 2260 km (1400 mi) de espesor, compuesta principalmente de hierro y níquel, que se encuentra por encima del núcleo interior sólido de la Tierra y por debajo de su manto. El núcleo externo comienza aproximadamente a 2.889 km (1.795 mi) por debajo de la superficie de la Tierra en el límite entre el núcleo y el manto y termina a 5.150 km (3.200 mi) por debajo de la superficie de la Tierra en el límite del núcleo interno.

Propiedades

A diferencia del núcleo interno sólido de la Tierra, su núcleo externo es líquido. La evidencia de un núcleo externo fluido incluye la sismología que muestra que las ondas transversales sísmicas no se transmiten a través del núcleo externo. Aunque tiene una composición similar al núcleo interno sólido de la Tierra, el núcleo externo permanece líquido ya que no hay suficiente presión para mantenerlo en estado sólido.

Las inversiones sísmicas de las ondas de cuerpo y los modos normales restringen el radio del núcleo externo a 3483 km con una incertidumbre de 5 km, mientras que el del núcleo interno es de 1220±10 km.

Las estimaciones de la temperatura del núcleo externo son de aproximadamente 3000–4500 K (2700–4200 °C; 4900–7600 °F) en su región exterior y 4000–8000 K (3700–7700 °C; 6700–14 000 ° F) cerca del núcleo interno. El modelado ha demostrado que el núcleo externo, debido a su alta temperatura, es un fluido de baja viscosidad que convección turbulenta. La teoría de la dínamo considera que las corrientes de Foucault en el fluido de níquel-hierro del núcleo externo son la fuente principal del campo magnético de la Tierra. Se estima que la fuerza promedio del campo magnético en el núcleo externo de la Tierra es de 2,5 militesla, 50 veces más fuerte que el campo magnético en la superficie.

A medida que el núcleo de la Tierra se enfría, el líquido en el límite del núcleo interno se congela, lo que hace que el núcleo interno sólido crezca a expensas del núcleo externo, a una tasa estimada de 1 mm por año. Esto es aproximadamente 80.000 toneladas de hierro por segundo.

Elementos ligeros del núcleo exterior de la Tierra

Composición

El núcleo externo de la Tierra no puede estar constituido completamente por hierro o aleación de hierro y níquel porque sus densidades son más altas que las mediciones geofísicas de la densidad del núcleo externo de la Tierra. De hecho, el núcleo externo de la Tierra tiene una densidad entre un 5 y un 10 por ciento más baja que el hierro a las temperaturas y presiones del núcleo de la Tierra. De ahí que se haya propuesto que los elementos ligeros con números atómicos bajos formen parte del núcleo exterior de la Tierra, como la única forma factible de reducir su densidad. Aunque el núcleo externo de la Tierra es inaccesible para el muestreo directo, la composición de los elementos ligeros puede verse significativamente restringida por experimentos de alta presión, cálculos basados en mediciones sísmicas, modelos de acreción de la Tierra y comparaciones de meteoritos de condrita carbonácea con Tierra de silicato a granel (BSE). Estimaciones recientes son que el núcleo externo de la Tierra está compuesto de hierro junto con 0 a 0,26 por ciento de hidrógeno, 0,2 por ciento de carbono, 0,8 a 5,3 por ciento de oxígeno, 0 a 4,0 por ciento de silicio, 1,7 por ciento de azufre y 5 por ciento de níquel en peso. y la temperatura del límite entre el núcleo y el manto y el límite del núcleo interno oscila entre 4137 y 4300 K y entre 5400 y 6300 K, respectivamente.

Restricciones

Acrecimiento

Una ilustración de un artista de lo que la Tierra podría haber parecido temprano en su formación.

La variedad de elementos ligeros presentes en el núcleo exterior de la Tierra está restringida en parte por la acumulación de la Tierra. Es decir, los elementos ligeros contenidos deben haber sido abundantes durante la formación de la Tierra, deben poder dividirse en hierro líquido a bajas presiones y no deben volatilizarse ni escapar durante el proceso de acreción de la Tierra.

CI condritas

Se cree que los meteoritos condríticos de CI contienen los mismos elementos formadores de planetas en las mismas proporciones que en el Sistema Solar primitivo, por lo que las diferencias entre los meteoritos de CI y BSE pueden proporcionar información sobre la composición de elementos ligeros del núcleo exterior de la Tierra.. Por ejemplo, el agotamiento del silicio en BSE en comparación con los meteoritos CI puede indicar que el núcleo de la Tierra absorbió silicio; sin embargo, todavía es posible una amplia gama de concentraciones de silicio en el núcleo externo e interno de la Tierra.

Implicaciones para la acumulación de la Tierra y la historia de formación del núcleo

Restricciones más estrictas sobre las concentraciones de elementos ligeros en el núcleo externo de la Tierra proporcionarían una mejor comprensión de la acumulación de la Tierra y la historia de formación del núcleo.

Consecuencias para la acumulación de la Tierra

Los modelos de acreción de la Tierra podrían probarse mejor si tuviéramos mejores restricciones sobre las concentraciones de elementos ligeros en el núcleo exterior de la Tierra. Por ejemplo, los modelos de acreción basados en la partición de los elementos del manto y el núcleo tienden a admitir proto-Tierras construidas a partir de material reducido, condensado y libre de volátiles, a pesar de la posibilidad de que el material oxidado del Sistema Solar exterior se acumulara hacia la conclusión de la Tierra.;s acreción. Si pudiéramos limitar mejor las concentraciones de hidrógeno, oxígeno y silicio en el núcleo exterior de la Tierra, los modelos de acumulación de la Tierra que coincidan con estas concentraciones probablemente limitarían mejor la formación de la Tierra.

Consecuencias para la formación del núcleo de la Tierra

Un diagrama de diferenciación de la Tierra. Los elementos de luz azufre, silicio, oxígeno, carbono e hidrógeno pueden constituir parte del núcleo exterior debido a su abundancia y capacidad de partición en hierro líquido en determinadas condiciones.

El agotamiento de los elementos siderófilos en el manto de la Tierra en comparación con los meteoritos condríticos se atribuye a las reacciones de metal-silicato durante la formación del núcleo de la Tierra. Estas reacciones dependen del oxígeno, el silicio y el azufre, por lo que mejores restricciones sobre las concentraciones de estos elementos en el núcleo externo de la Tierra ayudarán a dilucidar las condiciones de formación del núcleo de la Tierra.

En otro ejemplo, la posible presencia de hidrógeno en el núcleo externo de la Tierra sugiere que la acumulación de agua de la Tierra no se limitó a las etapas finales de la acumulación de la Tierra y que el agua puede haber sido absorbida por el núcleo. -formación de metales a través de un océano de magma hidratado.

Implicaciones para el campo magnético de la Tierra

Un diagrama de geodinámica y campo magnético de la Tierra, que podría haber sido impulsado en la historia temprana de la Tierra por la cristalización de óxido de magnesio, dióxido de silicio y óxido de hierro (II).

El campo magnético de la Tierra es impulsado por convección térmica y también por convección química, la exclusión de elementos livianos del núcleo interno, que flotan hacia arriba dentro del núcleo externo fluido mientras que los elementos más densos se hunden. Esta convección química libera energía gravitacional que luego está disponible para alimentar la geodinamo que produce el campo magnético de la Tierra. Las eficiencias de Carnot con grandes incertidumbres sugieren que la convección composicional y térmica contribuyen aproximadamente en un 80 por ciento y un 20 por ciento, respectivamente, a la potencia de la geodinamo de la Tierra. Tradicionalmente se pensaba que antes de la formación del núcleo interno de la Tierra, la geodinamo de la Tierra estaba impulsada principalmente por convección térmica. Sin embargo, afirmaciones recientes de que la conductividad térmica del hierro a temperaturas y presiones centrales es mucho más alta de lo que se pensaba anteriormente implica que el enfriamiento del núcleo se produjo en gran medida por conducción y no por convección, lo que limita la capacidad de la convección térmica para impulsar la geodinamo. Este enigma se conoce como la nueva "paradoja central". Un proceso alternativo que podría haber sostenido la geodinamo de la Tierra requiere que el núcleo de la Tierra inicialmente haya estado lo suficientemente caliente como para disolver el oxígeno, el magnesio, el silicio y otros elementos ligeros. A medida que el núcleo de la Tierra comenzó a enfriarse, se sobresaturaría en estos elementos ligeros que luego precipitarían en el manto inferior formando óxidos que conducen a una variante diferente de convección química.