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El calor a través de la Corteza terrestre

Publicado por: Pedro Donaire on : sábado, 18 de abril de 2009 0 comments
Pedro Donaire
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18/04/2009
Darle un nuevo giro a una vieja técnica, Anne M. Hofmeister, una profesora de investigación de ciencias de la tierra y ciencias planetarias, de la Universidad de Washington, en St. Louis, ha revolucionado la comprensión científica del transporte de calor en la corteza terrestre, esa cáscara exterior sólida de nuestro planeta.

La temperatura es un factor importante de muchos procesos geológicos, incluyendo la generación de magma (rocas fundidas) en las partes más profundas de la corteza terrestre, a unos 30 o 40 kilómetros por debajo de la superficie. Sin embargo, hasta hace poco, de las temperaturas en el interior de la corteza terrestre no teníamos certeza, debido principalmente a las dificultades relacionadas con la medición de la conductividad térmica, o la cantidad de calor que fluye a través de las rocas que componen la corteza.

En los métodos convencionales de medición de la conductividad térmica, los errores de medición surgen a medida que la temperatura de una roca se acerca a su punto de fusión. A esas altas temperaturas, el calor no sólo se transporta por las vibraciones de átomo a átomo, sino también por radiación. Dado que los métodos convencionales no pueden separar el flujo de calor transportado por las vibraciones del que está asociado con la radiación, la mayoría de las mediciones sobre la eficacia de las rocas para transportar el calor a altas temperaturas se han sobrestimado. Debido a esta incertidumbre experimental, los científicos asumen que la conductividad de la roca es constante en toda la corteza terrestre, con el fin de hacer avances en los modelos que describen el comportamiento geológico de la Tierra.

Con el uso industrial del láser, utilizado normalmente para la soldadura de acero, Hofmeister pudo eludir los problemas que aquejaban a los métodos antiguos. Tras su instalación en WUSTL, es la primera en el mundo que se emplea un láser en este tipo de investigación de las ciencias de la tierra.

Su técnica, de análisis láser-flash, proporciona muchos datos y más precisos, sobre el transporte de calor a través de las rocas que los métodos convencionales. En el análisis de láser-flash, una muestra de roca se mantiene a una temperatura dada y luego se somete a un pulso de láser de calor, esto permite a Hofmeister medir el tiempo que tarda el calor en ir de un extremo de la muestra a otros. Esta medición de difusividad térmica, o con qué rapidez se transmite el calor a través de la materia, es otra manera de describir la conductividad térmica de una roca.
Dado que la medición de transporte de calor en la corteza en sí mismo es imposible, Hofmeister utiliza el láser para medir el transporte de calor en cada uno de muestras de rocas a distintas temperaturas y, después, mediante un promedio de muestras se representa la dinámica de la corteza. En colaboración con investigadores de la Universidad de Missouri, Columbia, Peter I. Nabelek, profesor de ciencias geológicas, y Alan G. Whittington, profesor asistente de ciencias geológicas, Hofmeister aplica sus conclusiones para explicar los fenómenos geológicos observados en el medio ambiente.

Los resultados están publicados en la revista Nature del 19 de marzo de 2009, y sugieren que la conductividad de la roca no es constante como se había supuesto, sino que varía fuertemente con la temperatura. Hofmeister, explica: "Nuestro análisis muestra que las rocas son más eficientes para conducir el calor a baja temperatura, de lo que se creía anteriormente, y menos eficiente en las altas temperaturas. El proceso de movimiento de calor realmente depende de la temperatura de las rocas".

Hofmeister y sus colaboradores encontraron que la conductividad de las rocas en la corteza inferior, cuando la temperatura exterior es muy alta, es mucho menor (tanto como el 50 por ciento) de lo que predecían los métodos convencionales. Estos resultados también sugieren que la corteza inferior puede estar mucho más caliente de lo que anteriormente se reconocía. A partir de que las rocas se vuelven mejores aislantes y peores conductores en altas temperaturas, la corteza inferior actúa como un cobertor sobre la generación de calor del manto, la capa subyacente a la corteza terrestre.

La observación de que la corteza inferior es un buen aislante térmico tiene amplias implicaciones para la comprensión de los procesos geológicos, tal como la producción de magma.

Como explica Hofmeister, "los nuevos métodos cambian nuestra comprensión de cómo es transportado el calor en los entornos geológicos. Esto se refiere a donde se encuentra el magma, donde se cocinan las rocas metamórficas, y donde la lava forma las crestas oceánicas".

Ella y sus colegas usaron lo nuevos datos de temperatura para informar a los modelos de ordenador, que predicen las consecuencias del enterramiento y calefacción de las rocas durante la formación de una cadena de montañas, como ocurre en la actual Himalaya. Si bien, antes de basarse en los modelos de procesos extraordinarios, como el alto nivel de radiactividad que explica la fusión de la corteza en el Himalaya, el trabajo de Hofmeister y sus colaboradores, sugiere que las propiedades térmicas de las mismas rocas podría ser suficiente para generar magma.

En particular, consideran que la tensión del calor, o la fricción, causada por la formación de la cadena de montañas, puede provocar la fusión de la corteza. Debido a que la corteza inferior es un buen aislante térmico, la tensión de calor es mucho más rápida, más eficiente, y se perpetúa aún más de lo reconocido anteriormente.

"La masa fundida es más aislante que la roca", explica Hofmeister, "Una vez que las rocas se funden, la difusividad térmica baja, lo que hace más difícil que se enfríen. Permanecen calientes más tiempo y existe la posibilidad de que más fusiones".

Según Hofmeister, la situación descrita en el estudio sobre el Himalaya, probablemente no es única. Dado que el transporte de calor es un factor importante, muchos modelos de comportamiento geológico de la Tierra tendrán que ser revisados a la luz de sus conclusiones.

Los avances Hofmeister nos acercan a lo que ella describe como el objetivo de su carrera: "El objetivo de la mayor parte de mi carrera ha sido la de determinar la temperatura del interior de la tierra. Esa dependencia del tiempo, el tiempo que se toma el flujo de calor a través de las rocas, lo que va a decirnos cómo de caliente es el interior".

Según Hofmeister, comprender la temperatura del interior de la Tierra es el primer paso hacia la comprensión de la evolución térmica de la Tierra.

Publicado en SSN, 16/04/09
-Fuente: Washington University in St. Louis.
- Photo Credit: David Kilper/WUSTL Photo Services



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