Cuando el pionero escritor de ciencia ficción Julio Verne escribió Viaje al centro de la Tierra en 1864, probablemente sabía que su argumento era pura fantasía. Los personajes de Verne sólo llegaron a unos pocos kilómetros de profundidad, pero la idea de que alguien pudiera siquiera contemplar la posibilidad de viajar al núcleo de la Tierra había sido descartada antes de la época victoriana.
De hecho, incluso hoy en día, lo más lejos que hemos perforado en la Tierra es alrededor de 12 km, mientras que la distancia al centro es más de 500 veces mayor, a 6.370 km.
Entonces, ¿cómo sabemos lo que hay debajo? Averiguar qué hay en el corazón de nuestro planeta ha sido un magnífico rompecabezas científico.
¿Cómo sabemos que la Tierra es redonda?
La idea de que la Tierra tiene un centro significativo va unida a que el planeta tiene forma de bola, y hace tiempo que sabemos que no vivimos en un disco.
Es un mito que los medievales creyeran que la Tierra era plana; en realidad, esto se debe a una mezcla de propaganda antirreligiosa victoriana y a una mala interpretación de los estilizados mapas de la época.
Hace más de 2.200 años que el polímata griego Eratóstenes realizó la primera medición de la distancia alrededor de la esfera terrestre, y desde entonces está claro que debe tener un centro.
Eso no significa, sin embargo, que los primeros filósofos pensaran en la Tierra como lo hacemos hoy.
La antigua física griega decía que el mundo estaba formado por una serie de esferas concéntricas de cuatro elementos fundamentales: la tierra, el agua, el aire y, finalmente, el fuego.
En esta imagen científica más antigua, el centro del planeta tenía que ser sólido, ya que el aire no podía estar dentro de la esfera de la tierra.
Claramente, la esfera de la tierra no estaba completamente rodeada de agua o no habría tierra seca, por lo que se pensaba que había un trozo de tierra que sobresalía – lo que significaba que sólo podía haber un continente.
Como resultado, el descubrimiento de las Américas fue, de hecho, uno de los primeros resultados científicos experimentales, refutando la idea de un solo continente, y marcando un paso significativo en el camino para ir más allá del pensamiento científico de la Antigua Grecia.
La idea de que la Tierra es completamente hueca, o con vastas cavernas que llegan hasta el centro como en el libro de Verne, ha sido popular en la ficción y la mitología desde la antigüedad, figurando también en la pseudociencia y las teorías de la conspiración.
Sin embargo, no está claro que ningún científico, aparte del astrónomo Edmond Halley, que propuso una Tierra hueca para explicar algunas lecturas inusuales de la brújula en 1692, haya tomado nunca esta idea en serio.
Y en 1798, un científico y excéntrico inglés puso el último clavo en el ataúd de la hipótesis de la «Tierra hueca». Henry Cavendish, con un experimento para pesar con precisión el planeta.
¿Cuánto pesa la Tierra?
Cavendish era un hombre extraño, que sólo se comunicaba con sus sirvientes a través de notas para evitar encontrarse con ellos cara a cara.
A pesar de su origen aristocrático, Cavendish dedicó su vida a la ciencia, trabajando tanto en química como en física, y lo más famoso es que ideó un experimento para calcular la densidad de la Tierra.
Utilizando una simple balanza de torsión, que medía la cantidad de fuerza de torsión causada por la atracción gravitatoria de dos bolas grandes sobre un par más pequeño, Cavendish pudo calcular la débil atracción gravitatoria entre los dos pares de bolas.
Al comparar esto con la propia atracción gravitatoria de la Tierra, pudo calcular la densidad del planeta (y, como ya se conocía el tamaño de la Tierra, también su masa).
Pero la cifra de la densidad mostraba que nuestro planeta debía ser mayoritariamente sólido, a no ser que hubiera materiales desconocidos extremadamente densos en alguna parte de las profundidades.
¿Cómo sabemos qué hay en el núcleo de la Tierra?
Hoy en día, dividimos las entrañas de la Tierra en tres segmentos: la corteza, que es la capa exterior, con un grosor de entre 5 y 75 km, el manto, que se extiende hasta una profundidad de unos 2.900 km, y el grosor del núcleo -la parte que nos interesa aquí- que se extiende unos 3.500 km desde el centro de la Tierra, con dos segmentos distintos.
En el corazón del núcleo hay una esfera de níquel-hierro extremadamente caliente pero aún sólida, con un radio de unos 1.200 km. A unos 5.400°C, este núcleo interno tiene una temperatura similar a la de la superficie del Sol. El resto es el núcleo externo líquido de la Tierra, compuesto en su mayor parte por níquel-hierro, con temperaturas similares, que se calientan cada vez más hacia el centro.
¿Pero cómo es posible que conozcamos tantos detalles sobre un lugar tan inaccesible?
Dada la casi imposibilidad de acercarse siquiera a mil kilómetros del núcleo, todo nuestro conocimiento es indirecto y depende de la sismología, la ciencia de los terremotos.
Después de un terremoto, las ondas sísmicas viajan a través de la Tierra, cambiando su forma y dirección dependiendo de los materiales que atraviesan. Los geofísicos han utilizado esta información para deducir qué hay en el núcleo de la Tierra.
Sus sismómetros, dispositivos para medir dichas ondas, son el equivalente a los telescopios para explorar el interior de la Tierra.
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A principios del siglo XX, el aumento de las temperaturas a medida que se profundizaba en la Tierra, combinado con el análisis de los sismólogos de las ondas terrestres, sugería que las partes internas de nuestro planeta estaban, al menos en parte, fundidas, lo suficientemente calientes como para convertir la roca y el metal en líquido.
Y los descubrimientos clave fueron realizados por dos científicos que, vergonzosamente, ni siquiera fueron propuestos para un Premio Nobel: El geólogo británico Richard Oldham y la sismóloga danesa Inge Lehmann.
¿Qué pueden decirnos las olas sobre la estructura de la Tierra?
Si piensa en una ola, probablemente pensará en una ola superficial, como las que se ven en el mar. Pero muchas ondas -el sonido, por ejemplo- viajan a través del cuerpo de un material.
Aunque las ondas sísmicas que causan daños en un terremoto son las que viajan por la superficie, también hay dos tipos de «ondas corporales» que se mueven por la Tierra. Las ondas P (‘P’ significa ‘primaria’) son ondas longitudinales, como el sonido.
Vibran en la dirección del movimiento, haciendo que la Tierra se aplaste y se expanda a su paso.
Las ondas P se desplazan rápidamente: unos 5 km por segundo en una roca como el granito, y hasta 14 km por segundo en las partes más densas del manto.
El segundo tipo de ondas del cuerpo, las ondas S («S» significa «secundaria»), son ondas transversales más lentas, que se mueven de lado a lado. A diferencia de las ondas P, no pueden viajar a través de un líquido, por lo que estos dos tipos de ondas resultaron esenciales para ayudarnos a entender el núcleo de la Tierra.
Imagina que hay un gran terremoto. Las ondas comienzan a moverse a través de la Tierra.
Las ondas P salen disparadas hacia delante, mientras que las ondas S las siguen por detrás a aproximadamente la mitad de velocidad. Ambos tipos de ondas serán detectados por los sismómetros, que se utilizan para medir las vibraciones del suelo, en toda la Tierra.
Pero donde las ondas atraviesan el núcleo para llegar a una estación de medición lejana, existe la llamada zona de sombra. Si se recorre el perímetro de la Tierra unos 104° desde el epicentro del terremoto, las ondas desaparecen. Pero a partir de 140°, las ondas P vuelven a aparecer, sin acompañar a las ondas S.
Ya en 1906, Richard Oldham se dio cuenta de las implicaciones de esta extraña sombra. Oldham pasó la mayor parte de su carrera en el Servicio Geológico de la India, trabajando a menudo en el Himalaya.
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Cuando se retiró al Reino Unido en 1903, aprovechó los datos acumulados durante los años anteriores para sondear el interior de la Tierra. Se dio cuenta de que el comportamiento observado de las ondas P y S podía explicarse si el centro de la Tierra era líquido.
En tal caso, las ondas P serían refractadas por el líquido, doblándose como lo hace la luz cuando pasa del agua al aire, dejando una sombra característica. Las ondas S, por el contrario, serían detenidas por completo por un núcleo líquido.
El avance de Oldham condujo a una imagen ampliamente aceptada de un núcleo fundido, pero 30 años después, Inge Lehmann se dio cuenta de que la idea de Oldham era demasiado simple.
La refracción de las ondas P por el líquido denso del centro de la Tierra debería haber producido una sombra total.
De hecho, las mediciones realizadas con los sismómetros más sensibles disponibles en la época de Lehmann mostraron que las débiles ondas P seguían llegando a la zona de sombra.
Al estudiar los datos que atravesaban el planeta procedentes de un terremoto en Nueva Zelanda en 1929, Lehmann propuso que estas ondas se reflejaban en el límite entre un núcleo sólido interior y el líquido exterior.
Sus resultados, publicados en 1936, fueron confirmados dos años más tarde por Beno Gutenberg y Charles Richter, que modelizaron con precisión los efectos de un núcleo sólido.
Las mediciones directas de estas ondas sísmicas reflejadas llegaron finalmente en 1970.
¿De qué está hecho el núcleo de la Tierra?
Estudios posteriores recogieron ondas aún más sutiles que, por su retraso en la llegada, tuvieron que haber atravesado el núcleo externo líquido como ondas P, antes de convertirse en ondas S transversales en el núcleo interno, y luego volver a ser ondas P al salir.
Este descubrimiento, que no se confirmó hasta 2005, fue una prueba más del núcleo sólido.
Aún así, la naturaleza exacta del núcleo interno está sujeta a un importante debate. Las temperaturas, por ejemplo, sólo pueden calcularse a partir de estudios experimentales sobre cómo se funden y solidifican los materiales bajo presión.
De hecho, la suposición de que el núcleo está formado principalmente por hierro y níquel proviene de una combinación de la frecuencia con la que los diferentes elementos se dan en nuestra región local de la Vía Láctea, y de nuestra comprensión de cómo se formó nuestro planeta.
Bajo la inmensa presión del centro de la Tierra -más de tres millones de veces la presión atmosférica- los materiales pueden actuar de forma muy diferente a las condiciones normales.
Aunque el contendiente más obvio para el núcleo interno es una aleación sólida de níquel y hierro, es posible que un plasma extremadamente denso -el estado de la materia que se encuentra en una estrella- tenga propiedades similares. Una de las dificultades en este caso es saber cómo se comportan los materiales en entornos tan extremos.
Entre la célula de yunque de diamante.
En este extraordinario dispositivo, las puntas de dos diamantes, de apenas una fracción de milímetro de diámetro, se aprietan entre sí.
Aplicar una fuerza a un área pequeña produce más presión que aplicarla a una amplia – por eso ser pisado por un tacón de aguja es mucho más doloroso que una suela plana.
El yunque de diamante crea presiones de hasta el doble de las del núcleo de la Tierra, y el calentamiento se aplica mediante láseres.
Cuando se trituran muestras metálicas y se calientan a condiciones similares a las del núcleo, los resultados sugieren un sólido cristalino en el centro de la Tierra.
Siendo realistas, nunca nos acercaremos al núcleo de la Tierra.
Los niveles de calor, presión y radiactividad (una de las principales fuentes de calentamiento interno) son tan altos que, aunque pudiéramos perforar más de 6.000 km de roca y metal, una sonda sería incapaz de sobrevivir.
Comparado con llegar al núcleo, viajar a los confines del Sistema Solar es trivial.
Pero las propias vibraciones de nuestro planeta, producidas por los terremotos e interpretadas por científicos tan ingeniosos como Inge Lehmann, nos dan los medios para explorar con la mente donde nunca visitaremos en persona.
- Este artículo apareció por primera vez en el número 304 de BBC Focus
Términos clave
Ondas longitudinales – Estas ondas consisten en una serie de compresiones y relajaciones en la dirección de desplazamiento, como un resorte deslizante al que se le da un empujón a lo largo. Los ejemplos incluyen el sonido y las ondas P.
Refracción – Cuando una onda golpea el límite entre dos materiales, viajando en un ángulo, cambia de dirección. Las ondas de luz, por ejemplo, se refractan al pasar entre el agua y el aire, haciendo que un objeto recto parezca doblado.
Sismología – Estudio de los terremotos. El análisis de cómo los diferentes tipos de ondas sísmicas viajan a través de la Tierra nos ha permitido reconstruir la estructura interna de nuestro planeta.
Balanza de torsión – Este aparato consiste en una barra, suspendida de un marco por una fibra retorcida. Cuando la barra se mueve lateralmente, aplica una fuerza a la fibra; cuanto más se retuerce, mayor es la fuerza.
Ondas transversales – Estas ondas consisten en una serie de vibraciones de lado a lado, como las ondas enviadas a través de una cuerda al mover un extremo hacia arriba y hacia abajo. Algunos ejemplos son la luz y las ondas S.