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jueves, 13 de julio de 2017

El papel fundamental del níquel para el campo magnético de la Tierra

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Los científicos de TU Wien y la Universidad de Würzburg están cambiando nuestra idea del campo magnético de la tierra: el hierro por sí solo no puede explicar el concepto de geodinamo. Ese ingrediente fundamental es el níquel.

Sólo se necesita una brújula simple para demostrar que la tierra tiene un campo magnético, pero otra cosa ya no tan sencilla es explicar exactamente cómo se crea. Sin lugar a dudas, el centro caliente de nuestro planeta, compuesto principalmente de hierro, juega un papel importante, que en combinación con la rotación de la tierra, construye un poderoso "efecto dínamo", capaz de crear un campo magnético.


La cuestión es que, con el hierro solo, este efecto no se explica. Un equipo de investigadores, dirigido por el prof. Alessandro Toschi y el prof. Karsten Held (TU Wien) y el profesor Giorgio Sangiovanni (Universidad de Würzburg) han publicado ahora sus cálculos en la revista "Nature Communications", demostrando que la teoría de la geodinamo ha de ser revisada. Y resulta que es crucial para dicho efecto dinamo que el núcleo de la tierra contenga hasta un 20% de níquel, un metal que, en condiciones extremas, se comporta de manera muy diferente al hierro.

Calor y presión extremos

El núcleo de la tierra es tan grande como la luna y tan caliente como la superficie del sol. Soporta la presión de cientos de gigapascales, lo cual es comparable a la presión que ejercerían varias locomotoras de ferrocarril si pudieran colocarse sobre un milímetro cuadrado. "Bajo estas condiciones extremas, los materiales se comportan de una manera que puede ser muy diferente a lo que estamos acostumbrados", apunta Karsten Held. "Es casi imposible de recrear estas condiciones en un laboratorio, pero con sofisticadas simulaciones por computadora, podemos calcular el comportamiento de estos metales en el núcleo de la Tierra en un plano mecánico cuántico".

El calor del núcleo de la tierra tiene que encontrar una manera de escapar. El material caliente sube hasta las capas externas del globo, creando corrientes de convección. Al mismo tiempo, la rotación de la tierra conduce a fuertes fuerzas de Coriolis. En combinación, estos efectos producen un complicado flujo espiral de material caliente. "Conforme en este sistema de flujos se van creando corrientes eléctricas, causan un campo magnético que a su vez alimenta y aumenta la corriente eléctrica, y así sucesivamente, al final, el campo magnético se hace tan fuerte que podemos medirlo en la superficie de la tierra", explica Alessandro Toschi.

La conducción del calor

Hasta ahora, sin embargo, nadie podía explicar cómo estas corrientes de convección emergen en un primer lugar: el hierro es un muy bueno conductor de calor y, a alta presión, su conductividad térmica aumenta todavía más. "Si el núcleo de la tierra consistiera sólo de hierro, los electrones libres del hierro podrían manejar el transporte de calor por sí mismos, sin necesidad de ninguna corriente de convección", dice Karsten Held. “Pero, entonces, la Tierra no tendría campo magnético en absoluto.

Sin embargo, el núcleo de nuestro planeta también contiene casi un 20% de níquel. Durante mucho tiempo, este hecho no se consideró particularmente importante. Y resulta que el níquel juega un papel fundamental: "Bajo presión, el níquel se comporta de manera diferente al hierro", explica Alessandro Toschi. "A alta presión, los electrones del níquel tienden a dispersarse mucho más que los electrones del hierro. En consecuencia, la conductividad térmica del níquel y, por tanto, la conductividad térmica del núcleo de la tierra es mucho menor de lo que sería en un núcleo de solo hierro". Debido a la proporción significativa del níquel, el alto calor del núcleo de la tierra no puede fluir hacia la superficie del planeta mediante el movimiento de los electrones solos. El resultado es que deben emerger las corrientes de convección, que eventualmente construyen el campo magnético de la tierra.

Para obtener estos resultados, se tuvieron que analizar diferentes estructuras metálicas en simulaciones computacionales a gran escala y calcular el comportamiento de sus electrones. Los cálculos de muchas partículas fueron realizados por Andreas Hausoel (University of Würzburg), algunos de ellos en el Vienna Scientific Cluster (VSC). "Junto con nuestros colegas de Würzburg, no sólo echamos un vistazo al hierro y al níquel, sino también a las aleaciones de estos dos materiales, tuvimos que tener en cuenta las imperfecciones e irregularidades, lo que hacía que las simulaciones computerizadas fueran aún más difíciles", señalaba Karsten Held.

Estos avanzados métodos de simulación no sólo son importantes para obtener una mejor comprensión del campo magnético terrestre, sino que también proporcionan nuevas perspectivas sobre los procesos de dispersión electrónica en diferentes materiales. Alessandro Toschi está convencido: "Pronto, estas mejoras en los algoritmos computacionales de los materiales también darán lugar a interesantes aplicaciones de vanguardia en química, biología, industria y tecnología."

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Traducido/editado por Pedro Donaire
Ref. Eurek Alert.org, 13 julio 2017
“Nickel is crucial for the Earth's magnetic field”, por Florian Aigner
Fuente: Universidad Tecnológica de Viena
Imagen: The earth creates its own magnetic field. Crédito: TU Wien
Publicación: Nature Communications, Prof. Karsten Held Prof. Alessandro Toschi, Institute for Solid State Physics, TU Wien



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