El balance de calor interno de la Tierra es fundamental para la historia térmica de la Tierra . El flujo de calor desde el interior de la Tierra a la superficie se estima en 47 ± 2 teravatios (TW) [1] y proviene de dos fuentes principales en cantidades aproximadamente iguales: el calor radiogénico producido por la desintegración radiactiva de los isótopos en el manto y la corteza, y el calor primordial que quedó de la formación de la Tierra . [2]
El calor interno de la Tierra impulsa la mayoría de los procesos geológicos [3] e impulsa la tectónica de placas . [2] A pesar de su importancia geológica, esta energía térmica que proviene del interior de la Tierra es en realidad solo el 0.03% del presupuesto total de energía de la Tierra en la superficie, que está dominada por 173,000 TW de radiación solar entrante . [4] La insolación que finalmente, después de la reflexión, alcanza la superficie, penetra solo varias decenas de centímetros en el ciclo diario y solo varias decenas de metros en el ciclo anual. Esto hace que la radiación solar sea mínimamente relevante para los procesos internos. [5]
Los datos globales sobre la densidad del flujo de calor son recopilados y compilados por la Comisión Internacional de Flujo de Calor de la Asociación Internacional de Sismología y Física del Interior de la Tierra . [6]
Calor y estimación temprana de la edad de la Tierra
Basado en cálculos de la tasa de enfriamiento de la Tierra, que asumió una conductividad constante en el interior de la Tierra, en 1862 William Thomson , más tarde Lord Kelvin, estimó la edad de la Tierra en 98 millones de años, [7] que contrasta con la edad de 4.500 millones de años obtenida. en el siglo XX por datación radiométrica . [8] Como señaló John Perry en 1895 [9], una conductividad variable en el interior de la Tierra podría expandir la edad calculada de la Tierra a miles de millones de años, como lo confirmó más tarde la datación radiométrica. Contrariamente a la representación habitual del argumento de Thomson, el gradiente térmico observado de la corteza terrestre no se explicaría por la adición de radiactividad como fuente de calor. Más significativamente, la convección del manto altera la forma en que se transporta el calor dentro de la Tierra, invalidando la suposición de Thomson de un enfriamiento puramente conductor.
Flujo de calor interno global
Las estimaciones del flujo de calor total desde el interior de la Tierra a la superficie abarcan un rango de 43 a 49 teravatios (TW) (un teravatio equivale a 10 12 vatios ). [10] Una estimación reciente es de 47 TW, [1] equivalente a un flujo de calor medio de 91,6 mW / m 2 , y se basa en más de 38.000 mediciones. Los respectivos flujos de calor medios de la corteza continental y oceánica son 70,9 y 105,4 mW / m 2 . [1]
Si bien el flujo de calor interno total de la Tierra a la superficie está bien restringido, la contribución relativa de las dos fuentes principales de calor de la Tierra, el calor radiogénico y el primordial, es muy incierta porque su medición directa es difícil. Los modelos químicos y físicos dan rangos estimados de 15–41 TW y 12–30 TW para calor radiogénico y calor primordial , respectivamente. [10]
La estructura de la Tierra es una corteza externa rígida que se compone de una corteza continental más gruesa y una corteza oceánica más delgada , un manto sólido pero que fluye plásticamente , un núcleo externo líquido y un núcleo interno sólido . La fluidez de un material es proporcional a la temperatura; así, el manto sólido todavía puede fluir en escalas de tiempo prolongadas, en función de su temperatura [2] y, por tanto, en función del flujo del calor interno de la Tierra. El manto se convecta en respuesta al calor que se escapa del interior de la Tierra, con un manto más caliente y más flotante que se eleva y un manto más frío, y por lo tanto más denso, que se hunde. Este flujo convectivo del manto impulsa el movimiento de las placas litosféricas de la Tierra ; por lo tanto, una reserva adicional de calor en el manto inferior es fundamental para el funcionamiento de la tectónica de placas y una posible fuente es el enriquecimiento de elementos radiactivos en el manto inferior. [11]
El transporte de calor terrestre ocurre por conducción , convección del manto , convección hidrotermal y advección volcánica . [12] Se cree que el flujo de calor interno de la Tierra a la superficie es 80% debido a la convección del manto, y el calor restante se origina principalmente en la corteza terrestre, [13] con alrededor del 1% debido a la actividad volcánica, terremotos y formación de montañas. [2] Por lo tanto, aproximadamente el 99% de la pérdida de calor interno de la Tierra en la superficie es por conducción a través de la corteza, y la convección del manto es el control dominante sobre el transporte de calor desde las profundidades de la Tierra. La mayor parte del flujo de calor de la corteza continental más gruesa se atribuye a fuentes radiogénicas internas; en contraste, la corteza oceánica más delgada tiene solo un 2% de calor radiogénico interno. [2] El flujo de calor restante en la superficie se debe al calentamiento basal de la corteza por convección del manto. Los flujos de calor están correlacionados negativamente con la edad de la roca, [1] con los flujos de calor más altos de la roca más joven en los centros de expansión de las dorsales oceánicas (zonas de afloramiento del manto), como se observa en el mapa global del flujo de calor de la Tierra . [1]
Fuentes de calor
Calor radiogénico
La desintegración radiactiva de los elementos del manto y la corteza terrestres da como resultado la producción de isótopos hijos y la liberación de geoneutrinos y energía térmica, o calor radiogénico . Hasta el 90% del calor interno de la Tierra proviene de la desintegración radiactiva. [14] Cuatro isótopos radiactivos son responsables de la mayor parte del calor radiactivo debido a su enriquecimiento en relación con otros isótopos radiactivos: uranio-238 ( 238 U), uranio-235 ( 235 U), torio-232 ( 232 Th) y potasio. -40 ( 40 K). [15] Debido a la falta de muestras de rocas por debajo de los 200 km de profundidad, es difícil determinar con precisión el calor radiogénico en todo el manto, [15] aunque se dispone de algunas estimaciones. [dieciséis]
Para el núcleo de la Tierra, los estudios geoquímicos indican que es poco probable que sea una fuente significativa de calor radiogénico debido a una baja concentración esperada de elementos radiactivos que se dividen en hierro. [17] La producción de calor radiogénico en el manto está relacionada con la estructura de la convección del manto , un tema de mucho debate, y se cree que el manto puede tener una estructura en capas con una mayor concentración de elementos radiactivos que producen calor en la parte inferior. manto, o pequeños reservorios enriquecidos en elementos radiactivos dispersos por todo el manto. [18]
Isótopo | Liberación de calor W/kg de isótopo | Años de vida media | Concentración media del manto kg de isótopo/kg manto | Liberación de calor W/kg manto |
---|---|---|---|---|
232 mil | 26,4 × 10 −6 | 14,0 × 10 9 | 124 × 10 −9 | 3,27 × 10 −12 |
238 U | 94,6 × 10 −6 | 4,47 × 10 9 | 30,8 × 10 −9 | 2,91 × 10 −12 |
40 K | 29,2 × 10 −6 | 1,25 × 10 9 | 36,9 × 10 −9 | 1,08 × 10 −12 |
235 U | 569 × 10 −6 | 0,704 × 10 9 | 0,22 × 10 −9 | 0,125 × 10 −12 |
Los detectores de geoneutrinos pueden detectar la desintegración de 238 U y 232 Th y así permitir la estimación de su contribución al actual balance de calor radiogénico, mientras que 235 U y 40 K no son detectables. Independientemente, se estima que 40 K contribuyen con 4 TW de calefacción. [19] Sin embargo, debido a las cortas vidas medias, la desintegración de 235 U y 40 K contribuyó con una gran fracción del flujo de calor radiogénico a la Tierra primitiva, que también era mucho más caliente que en la actualidad. [11] Los resultados iniciales de la medición de los productos geoneutrinos de la desintegración radiactiva del interior de la Tierra, un indicador del calor radiogénico, arrojaron una nueva estimación de que la mitad de la fuente de calor interna total de la Tierra es radiogénica, [19] y esto es coherente con estimaciones anteriores . [18]
Calor primordial
El calor primordial es el calor perdido por la Tierra a medida que continúa enfriándose desde su formación original, y esto contrasta con el calor radiogénico que aún se produce de forma activa. Se cree que el flujo de calor del núcleo de la Tierra (calor que sale del núcleo y fluye hacia el manto suprayacente) se debe al calor primordial, y se estima en 5 a 15 TW. [20] Las estimaciones de la pérdida de calor primordial del manto oscilan entre 7 y 15 TW, que se calcula como el calor restante después de la eliminación del flujo de calor del núcleo y la producción de calor radiogénico de la Tierra a partir del flujo de calor superficial observado. [10]
La formación temprana del núcleo denso de la Tierra podría haber causado un sobrecalentamiento y una rápida pérdida de calor, y la tasa de pérdida de calor se ralentizaría una vez que el manto se solidificara. [20] El flujo de calor del núcleo es necesario para mantener la convección del núcleo externo y la geodinamo y el campo magnético de la Tierra ; por lo tanto, el calor primordial del núcleo permitió la atmósfera de la Tierra y, por lo tanto, ayudó a retener el agua líquida de la Tierra. [18]
Placas tectónicas y de flujo de calor
La controversia sobre la naturaleza exacta de la convección del manto hace que la evolución vinculada del balance de calor de la Tierra y la dinámica y estructura del manto sea difícil de desentrañar. [18] Existe evidencia de que los procesos de la tectónica de placas no estaban activos en la Tierra antes de hace 3.200 millones de años, y que la pérdida de calor interno de la Tierra primitiva podría haber estado dominada por la advección a través del vulcanismo de tubos de calor . [21] Los cuerpos terrestres con flujos de calor más bajos, como la Luna y Marte , conducen su calor interno a través de una sola placa litosférica, y los flujos de calor más altos, como en la luna Io de Júpiter , dan como resultado un transporte de calor advectivo a través del vulcanismo mejorado, mientras que La tectónica de placas activa de la Tierra ocurre con un flujo de calor intermedio y un manto convectivo . [21]
Ver también
- Energía geotérmica
- Gradiente geotérmico
- Diferenciación planetaria
- Historia térmica de la Tierra
Referencias
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