El límite núcleo-manto (CMB) es la interfaz entre el núcleo metálico de hierro de la Tierra y la gruesa capa rocosa del manto justo encima del núcleo. Es un mundo de extremos: temperaturas de miles de grados Fahrenheit y presiones más de un millón de veces la presión en la superficie de la Tierra. Si bien puede parecer muy alejado de nuestro entorno en la superficie de la Tierra, las columnas de material del CMB pueden ascender hacia arriba a través del planeta durante decenas de millones de años, influyendo en la química, la estructura geológica y la tectónica de placas del mundo de la superficie donde vivimos.

Aunque los científicos no pueden viajar al centro de la Tierra para estudiar el CMB, pueden obtener pistas sobre lo que hay debajo de la superficie del planeta midiendo los terremotos. Las ondas sísmicas viajan a diferentes velocidades dependiendo del material a través del cual viajan, lo que permite a los investigadores inferir lo que se encuentra en las profundidades de la superficie utilizando firmas sísmicas. Esto es análogo a cómo el ultrasonido utiliza ondas de sonido para obtener imágenes del interior del cuerpo humano.

Investigaciones recientes muestran que la base del manto de la Tierra es en realidad compleja y heterogénea; en particular, hay regiones montañosas donde las ondas sísmicas se desaceleran misteriosamente. Estas manchas, denominadas zonas de velocidad ultrabaja (ULVZ) y descubiertas por primera vez por Don Helmberger de Caltech, tienen decenas de kilómetros de espesor y se encuentran a unos 3.000 kilómetros bajo nuestros pies.

«Debido a que no podemos simplemente bajar al CMB y tomar medidas, hay muchas preguntas abiertas sobre una región que es tan importante para la evolución de nuestro planeta», dice Jennifer Jackson, profesora de Física Mineral William E. Leonhard. «¿Por qué existen las ULVZ y de qué están hechas? ¿Qué nos enseñan sobre cómo evolucionó la Tierra y qué papel juega la región en la dinámica de la Tierra? ¿Las manchas son sólidas o fundidas en las condiciones extremas del CMB? «

En 2010, Jackson y su equipo sugirieron que las manchas contienen un mayor contenido de óxido de hierro que el manto que las rodea. El óxido de hierro sólido ralentizaría las ondas sísmicas, lo que podría explicar las bajas velocidades medidas al pasar a través de las burbujas. Pero, ¿podría el óxido de hierro ser sólido a las temperaturas y presiones extremas del CMB?

Ahora, un nuevo estudio del laboratorio de Jackson ha realizado mediciones detalladas del comportamiento del óxido de hierro bajo un rango de temperaturas y presiones similares a las del CMB. El llamado diagrama de fases resultante muestra que, contrariamente a las teorías anteriores, el óxido de hierro permanece sólido incluso a temperaturas muy altas. Esto representa la evidencia más sólida hasta el momento de que las regiones sólidas ricas en hierro son una explicación realista para las ULVZ y pueden desempeñar un papel fundamental en la generación de penachos profundos. Los hallazgos motivan futuros trabajos sobre materiales sólidos ricos en hierro para comprender mejor el interior profundo de la Tierra.

Un artículo que describe la investigación apareció en la revista Nature Communications el 13 de noviembre.

A nivel atómico, el óxido de hierro sólido está compuesto de átomos de hierro y oxígeno cuidadosamente dispuestos en patrones que se repiten ordenadamente. A medida que el sólido comienza a derretirse, los átomos pierden su estructura rígidamente ordenada y comienzan a moverse con fluidez. El nuevo estudio, dirigido por el ex estudiante graduado de Caltech Vasilije Dobrosavljevic (PhD ’22), tenía como objetivo determinar experimentalmente las temperaturas y presiones a las que ocurre esta transición.

Alcanzar temperaturas y presiones extremas en experimentos ha sido posible durante décadas, pero los experimentos requieren muestras diminutas, más pequeñas que el ancho promedio de un cabello humano. Usando muestras tan pequeñas, es un desafío detectar la temperatura precisa a la que un material comienza la transición de sólido a líquido. Durante más de una década, Jackson y sus colaboradores han estado desarrollando una técnica para detectar la fusión a altas presiones. El nuevo estudio utiliza esta técnica precisa, llamada espectroscopia de Mössbauer, para observar la configuración dinámica de los átomos de hierro.

«Utilizamos Mössbauer para responder preguntas sobre el movimiento dinámico de los átomos de hierro», afirma Dobrosavljevic. «En un corto período de tiempo de alrededor de 100 nanosegundos, queremos saber: ¿se mueven apenas, como en un sólido, o se mueven mucho, como en un líquido? Nuestro nuevo estudio complementa la espectroscopía de Mössbauer con un método independiente, X- difracción de rayos, que nos permite observar las posiciones de todos los átomos en la muestra».

Después de docenas de experimentos en un rango de temperaturas y presiones, el equipo descubrió que a la presión del CMB de la Tierra, el óxido de hierro se funde a temperaturas más altas de lo estimado anteriormente: más de 4.000 Kelvin, equivalente a unos 6.700 grados Fahrenheit.

El estudio también arrojó un resultado inesperado sobre los llamados defectos atómicos en materiales de hierro.

Los investigadores saben que, a la presión del nivel del mar, cada muestra de óxido de hierro tiene pequeños defectos espaciados regularmente en su estructura atómica. Por cada 100 átomos de oxígeno, sólo hay unos 95 átomos de hierro, lo que significa que «faltan» unos cinco átomos de hierro. Los investigadores han debatido cómo estos defectos a nivel atómico podrían afectar el material a mayor escala: cómo conduce la electricidad y el calor, por ejemplo, o se deforma bajo presión , etc. Estos parámetros son fundamentales para comprender el interior de los planetas, donde el flujo de calor y la deformación del material impulsan la dinámica planetaria. Sin embargo, hasta ahora se desconocía el comportamiento de defectos a altas presiones y temperaturas, como los encontrados en el CMB.

Dobrosavljevic y su equipo descubrieron que a temperaturas varios cientos de Kelvin inferiores al punto en el que se funde el óxido de hierro, los pequeños defectos atómicos comienzan a desplazarse dentro del material sólido, volviéndose «desordenados». Esto podría explicar por qué experimentos anteriores sugirieron que el óxido de hierro se estaba derritiendo a temperaturas más bajas: esos experimentos en realidad observaban cambios en los defectos en lugar de la fusión de toda la estructura cristalina.

«Antes de que el cristal sólido pase a líquido, vemos que la estructura del defecto sufre una transición de ordenada a desordenada», dice. «Ahora queremos saber qué efecto tiene esta transición recién descubierta en las propiedades físicas de regiones ricas en hierro como la ULVZ. ¿Cómo afectan los defectos al transporte de calor y qué significa para la formación y generación de columnas de surgencia? que llegan a la superficie? Estas preguntas guiarán futuras investigaciones».

El artículo se titula «Transiciones de fusión y defectos en FeO hasta las presiones del límite entre el núcleo y el manto de la Tierra».

Fuente: phys.org