Cómo los geofísicos construyeron un modelo a escala del núcleo de la Tierra con ácido sulfúrico

Uno de los grandes enigmas de la geofísica es cómo la Tierra genera y mantiene su campo magnético. El pensamiento general es que cuando el material conductor en el núcleo externo de la Tierra se mueve debido a la convección, genera corrientes eléctricas y éstas crean un campo magnético.

Pero este campo también está influenciado por la rotación de la Tierra, y esto influye en las corrientes de convección de los materiales conductores de electricidad en el núcleo. El resultado es un poderoso proceso de retroalimentación que conduce a un comportamiento enormemente complejo.

Para comprender mejor estos procesos, los físicos han construido modelos físicos cada vez más complejos del núcleo de la Tierra para explorar esta cuestión. La mayoría de los experimentos simulan el núcleo conductor utilizando metales líquidos que giran en un plano en un campo magnético externo.

Pero estos experimentos tienen una limitación significativa. El metal líquido es opaco, por lo que no es posible ver cómo evolucionan las corrientes de convección en su interior, especialmente cuando el movimiento suele ser en un plano. Las simulaciones por computadora tampoco son de mucha ayuda: la física es tan compleja y los efectos de retroalimentación tan fuertes que incluso las mejores simulaciones no pueden resolver la ecuación resultante con el nivel de detalle requerido.

El resultado es que ni los modelos físicos ni las simulaciones por computadora han podido reproducir el comportamiento observado del campo terrestre.

Lo que se necesita es un modelo diferente que pueda capturar mejor los procesos complejos en el trabajo, y preferiblemente uno que pueda revelar la forma en que surgen y evolucionan las corrientes de convección.

Hoy, Kelig Aujogue de la Universidad de Coventry en el Reino Unido y algunos amigos revelan un modelo experimental basado en un hemisferio giratorio lleno de un electrolito transparente que hace esto. Y dicen que su modelo revela por primera vez cómo el campo magnético cambia drásticamente la estructura de las columnas de convección dentro de la Tierra.

Primero, algunos antecedentes sobre las fuerzas que actúan en el núcleo de la Tierra. Los fenómenos principales son: la flotabilidad, que impulsa el movimiento de los fluidos; la fuerza de Coriolis de la rotación de la Tierra; y la fuerza magnética que surge de la interacción entre las corrientes eléctricas inducidas y los campos magnéticos.

Los geofísicos caracterizan la forma en que estas fuerzas interactúan utilizando una cantidad conocida como el número de Ekman: la relación entre las fuerzas viscosas en un fluido y las fuerzas que surgen de la rotación planetaria. Cuando el número de Ekman es pequeño, las perturbaciones dentro del fluido pueden propagarse, pero este proceso de propagación es enormemente complejo.

El número de Ekman en el núcleo de la Tierra es pequeño, alrededor de 10-15. Los mejores modelos de computadora pueden simular números de Ekman en la región de 10-5, pero incluso estos resultados nunca han sido calibrados contra resultados experimentales usando metales líquidos porque el flujo no se puede ver en estas configuraciones.

Entran Aujogue y compañía. Su aparato consiste en una cúpula de vidrio hemisférica llena de ácido sulfúrico, calentada en su centro por un elemento calefactor cilíndrico y enfriada en el exterior.

Si bien el ácido sulfúrico es un conductor razonable, es alrededor de cuatro órdenes de magnitud menos bueno que los metales líquidos. El equipo lo compensa colocando todo el aparato en un campo magnético enormemente poderoso de hasta 10 teslas, que es 100 veces más alto de lo que es posible con los electroimanes convencionales.

Solo hay un lugar en el planeta capaz de producir campos magnéticos de esta fuerza, el Laboratorio de Alto Campo Magnético de Grenoble en Francia, que es donde el equipo instaló su equipo.

Toda la configuración debe girarse dentro de este campo. Esto significa que todos los componentes deben estar hechos de materiales no magnéticos para evitar las corrientes inducidas que esto crearía.

El manejo de ácido sulfúrico tampoco es un paseo por el parque. Los componentes deben ser químicamente resistentes y el experimento debe diseñarse cuidadosamente para garantizar la seguridad de los científicos involucrados. El aparato también debe diseñarse de manera que los datos de los experimentos puedan recopilarse fácilmente.

Para ver el flujo dentro del núcleo, el equipo utiliza una técnica llamada velocimetría de imágenes de partículas. Esto implica disparar un láser al fluido y registrar cómo se refleja en pequeñas partículas o burbujas dentro de él. Mediante el seguimiento de su movimiento, es posible construir una imagen tridimensional detallada del flujo.

Se trata de un conjunto desafiante de restricciones. Sin embargo, el resultado es impresionante. Por primera vez, las fuerzas [principales] se pueden producir y controlar con precisión en un flujo que también se puede mapear completamente mediante técnicas de visualización óptica, dicen Aujogue y compañía.

Y los resultados son una especie de sorpresa. El campo magnético tiene un efecto espectacular en la estructura de los penachos convectivos, dice el equipo.

Esto no solo se aplica a la Tierra, sino a cualquier planeta o luna con un campo magnético y un núcleo líquido, como Mercurio o Ganímedes.

Y hay mucho margen para el trabajo futuro. El equipo dice que es posible variar fácilmente el tamaño del núcleo y la diferencia de temperatura que crea para que se puedan investigar diferentes regímenes.

Por supuesto, se necesita más trabajo para ver qué tan cerca reflejan estos resultados lo que está sucediendo dentro de la Tierra. Pero este es un paso fascinante en el camino hacia modelos aún mejores que describen completamente el extraño campo magnético de la Tierra.

Ref: arxiv.org/abs/1606.01780 : Little Earth Experiment: un instrumento para modelar núcleos planetarios

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