Una nueva investigación proporciona información sobre la formación de la Tierra

Un nuevo estudio, realizado por científicos de la Universidad de Nuevo México, encontró que el antiguo helio-3 primordial se escapaba del núcleo de la Tierra, lo que sugiere que el planeta se formó dentro de una nebulosa solar, lo que genera un mayor debate entre los científicos.

Cada año, alrededor de 2 kg del raro isótopo gas helio-3 se escapa del interior de la Tierra, principalmente a lo largo del sistema de dorsales en medio del océano, una serie de volcanes submarinos en todo el mundo. El helio-3 es primordial, se creó poco después del Big Bang y se adquirió de la nebulosa solar cuando se formó la Tierra. La evidencia geoquímica indica que la Tierra tiene reservas profundas de helio-3, pero sus ubicaciones y abundancias son inciertas.

El inventario de helio de la Tierra consta de dos isótopos estables, el más abundante helio-4 y el raro helio-3. A diferencia del helio-4 terrestre, que se produce principalmente por la descomposición del uranio y el torio, el helio-3 terrestre es en gran parte de origen primordial, se sintetizó después del Big Bang y se incorporó a la Tierra principalmente durante su formación.

Ahora, los modelos científicos de intercambio volátil durante la formación y evolución de la Tierra implican al núcleo metálico como un depósito con fugas que suministra helio-3 al resto de la Tierra. Los resultados también sugieren que otros volátiles pueden estar filtrándose desde el núcleo hacia el manto. El helio-3 se origina principalmente en las nebulosas, una enorme nube de polvo y otros elementos básicos como el hidrógeno y otros gases ionizados. Como uno de los primeros elementos producidos en el universo, la mayor parte del helio-3 se creó durante las etapas iniciales del Big Bang.

«El helio-3 se sintetizó muy temprano en la historia del universo, muy temprano, es decir, a los pocos segundos del Big Bang», dijo Peter Olson, geofísico de la UNM y autor principal del artículo, «Primordial Helium-3 Exchange Between el núcleo y el manto de la Tierra», publicado recientemente en la revista American Geophysical Union Geoquímica, Geofísica, Geosistemas. «Este estudio ayuda a identificar el núcleo como la fuente de la fuga en lugar del manto. Tiene más de 13 mil millones de años y se mide para salir del interior de la tierra y el lugar donde aparentemente se está filtrando a mayor velocidad es el Océano Medio. Centros de expansión de las dorsales Estos son los límites de las placas donde se está creando nueva corteza oceánica.

«Dos cosas son importantes a pesar de que es una pequeña cantidad. En primer lugar, no llegó allí recientemente. Es un elemento primordial y algunos de los lugares de los que se filtra están relacionados con el núcleo. Por ejemplo, la fuente de Se cree que las lavas que componen Hawái e Islandia se derivan de penachos que se elevan a través del manto desde la región límite entre el núcleo y el manto. La pérdida de helio de la Tierra es global. No es solo en unos pocos lugares. Se concentra en la expansión. se concentra en las dorsales oceánicas. Estos centros de expansión son globales y cubren toda la Tierra. El helio también se escapa de otros entornos. Entonces, es global y proviene de las profundidades de la tierra y esas son dos inferencias, que son realmente sólido, creo».

El estudio, que también involucró a Zach Sharp, un geoquímico de la UNM en el Departamento de Ciencias Planetarias y de la Tierra, involucró dos aspectos como parte del proceso de modelado: primero, cómo el helio-3 llegó a las profundidades de la tierra para empezar, el proceso de adquisición, y segundo, cómo sale. Estudios anteriores han demostrado cómo entra el helio-3, pero ninguno ha hecho ambas cosas, adquirir helio-3 y el proceso para sacarlo. Ambos son mecanismos fundamentalmente diferentes y ocurren en diferentes escalas de tiempo en la historia de la tierra.

«El proceso de adquisición, o el gas que forma el sistema solar, es en realidad el gas que forma el Sol, Júpiter y Saturno y es aproximadamente un 15 por ciento de helio», dijo Olson. «Es el segundo elemento más abundante en esos cuerpos (después del hidrógeno), lo que lo convierte en el segundo elemento más abundante en el sistema solar. La forma obvia de incorporar una gran cantidad de helio-3 en la tierra es construir la tierra mientras la nebulosa solar estaba en su lugar rodeándola. Cuando la Tierra estaba envuelta en gas nebular, y si la superficie de la tierra está fundida, entonces el gas puede disolverse en la Tierra fundida a medida que se forma porque los gases se disuelven fácilmente y se derriten».

«Hay muchos cometas pequeños o pequeños guijarros que llamamos bolas de nieve dentro de la nebulosa solar que caerán lentamente hacia el Sol simplemente debido a la atracción gravitatoria del Sol», dijo Sharp. «Esa es una certeza física, debe suceder. Ahora, si tienes cuerpos planetarios que aún no están completamente desarrollados, y tienes los guijarros viniendo hacia el sol, entonces una fracción significativa de los guijarros será capturado gravitacionalmente por la Tierra en crecimiento. Puedes hacer en 2 millones de años, algo del tamaño de la Tierra por este proceso, mientras que los modelos anteriores requerían más de 10 millones de años para hacer un cuerpo del tamaño de la Tierra».

Los científicos utilizaron un modelo que consistía en una atmósfera nebular hecha de la misma composición que la nebulosa solar, y la incorporación de este material en el material fundido proporcionó el entorno necesario para separar el helio del manto y el núcleo.

«Te das cuenta muy rápidamente de que la superficie estaría tan caliente en esas condiciones que sería un océano de magma, justo el entorno en el que podrías disolver la pérdida de helio», dijo Olson. “Eso lleva el helio a la tierra, pero no al núcleo, para eso hay que disolverlo en el hierro que forma el núcleo. Ha habido mediciones de laboratorio que miden la solubilidad del helio en metales libres, como el hierro fundido. Esto nos dio una estimación de la cantidad de helio que podrías disolver en el núcleo a medida que se formó la Tierra. Ese es el proceso de modelado para el primer paso, que nos dijo que obtienes uno o más petagramos (1,000,000,000,000,000 gramos) de helio-3 en el núcleo de esa manera.»

«Es muy bueno a dónde vamos con esto. La pregunta es» ‘¿cómo conseguimos tanto helio en el manto’? Este siempre fue un problema que nunca se abordó por completo”, dijo Sharp. “Era como, sí, está ahí, y tal vez vino de estos cometas o asteroides tardíos, pero el problema es que el helio no es denso. Quiere ‘flotar’ en la superficie. Es como tomar una pelota de playa y tratar de empujarla hasta el fondo de una piscina. Volverá a aparecer. ¿Cómo se puede obtener helio hasta el manto profundo? Es realmente un problema.

«Por lo general, no se discute en el caso de la idea de la entrada de gas en la nebulosa, pero el 15 por ciento de la nebulosa es helio. La mayor parte del resto es hidrógeno, así que ahí vamos, esa es la mayor parte del gas nebular. Si tienes esto alta presión, al igual que el CO₂ disolviéndose en el agua de una lata de refresco, el helio se disolverá hasta el interior del planeta».

El segundo paso en el proceso es complicado porque tiene que agotar el manto de helio-3 antes de que comience a filtrarse fuera del núcleo. Numerosos estudios han asumido que el helio se perdió del manto cuando la Tierra se solidificó después del «Impacto Gigante». El Impacto Gigante es la supuesta formación de la Luna durante una colisión entre la proto-Tierra y un gran planeta equivalente en tamaño a Marte.

«El Impacto Gigante fue un evento tan perturbador que el manto de la Tierra habría perdido muchos de sus gases, incluido el helio tres. Ese es un paso crítico porque, de lo contrario, el núcleo no perderá helio», dijo Olson. «Una vez que esos dos estuvieron en su lugar, el proceso de fuga que modelamos fue solo una difusión ordinaria más convección en el manto terrestre, lo que impulsa la tectónica de placas. Eso transportaría el material del manto hasta el límite entre el núcleo y el manto, donde arrastraría helio. 3 desde el núcleo y transportarlo de regreso a la superficie en las dorsales oceánicas y los puntos calientes volcánicos, y tal vez en el Rio Grande Rift aquí en Nuevo México, por ejemplo».

«La cantidad de fugas de helio ronda las cuatro libras al año, tal vez suficiente para llenar 50 globos dependiendo del tamaño de los globos», dijo Sharp. «No es mucho, pero el hecho de que continúe saliendo de la Tierra todo el tiempo con la idea de que el núcleo es una fuente importante es totalmente viable. A nadie le importa que un poco de helio se escape de la Tierra al espacio». «, pero creemos que es una huella dactilar de importantes eventos tempranos en la historia de nuestro planeta. Es evidencia de que la idea de la entrada de gases en la nebulosa es válida. Si el helio fuera entregado más tarde por asteroides y cometas que chocaron contra la Tierra millones de años después de que se formó la Tierra, tendríamos No espere ver tanto helio en el manto profundo y el núcleo. Es, en esencia, un representante para el suministro de agua que da vida a la Tierra. Proporciona un mecanismo para hacer un planeta habitable».