Historia térmica de la Tierra

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La historia térmica de la Tierra implica el estudio de la historia de enfriamiento del interior de la Tierra . Es un subcampo de la geofísica . (Las historias térmicas también se computan ^{[¿ por quién? ]} Para el enfriamiento interno de otros cuerpos planetarios y estelares.) El estudio de la evolución térmica del interior de la Tierra es incierto y controvertido en todos los aspectos, a partir de la interpretación de las observaciones petrológicas utilizadas para inferir la temperatura del interior, a la dinámica de fluidos responsable de la pérdida de calor, a las propiedades de los materiales que determinan la eficiencia del transporte de calor.

Resumen

Las observaciones que se pueden utilizar para inferir la temperatura del interior de la Tierra van desde las rocas más antiguas de la Tierra hasta las imágenes sísmicas modernas del tamaño del núcleo interno . Las rocas volcánicas antiguas se pueden asociar con una profundidad y temperatura de fusión a través de su composición geoquímica. Utilizando esta técnica y algunas inferencias geológicas sobre las condiciones en las que se conserva la roca, se puede inferir la temperatura del manto. El mantoen sí mismo es completamente convectivo, por lo que la temperatura en el manto es básicamente constante con la profundidad fuera de las capas límite térmica superior e inferior. Esto no es del todo cierto porque la temperatura en cualquier cuerpo convectivo bajo presión debe aumentar a lo largo de una adiabática, pero el gradiente de temperatura adiabático suele ser mucho menor que los saltos de temperatura en los límites. Por lo tanto, el manto generalmente se asocia con una temperatura única o potencial que se refiere a la temperatura del manto medio extrapolada a lo largo de la adiabática.a la superficie. Se estima que la temperatura potencial del manto es de unos 1350 C en la actualidad. Existe una temperatura potencial análoga del núcleo, pero dado que no hay muestras del núcleo, su temperatura actual se basa en extrapolar la temperatura a lo largo de una adiabática desde el límite interno del núcleo, donde el sólido de hierro está algo restringido.

Termodinámica

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La formulación matemática más simple de la historia térmica del interior de la Tierra implica la evolución temporal de las temperaturas del manto medio y del núcleo medio. Para derivar estas ecuaciones, primero se debe escribir el balance de energía para el manto y el núcleo por separado. Ellos son,

${\displaystyle Q_{\text{surf}}=Q_{\text{sec,man}}+Q_{\text{rad}}+Q_{\text{cmb}}}$

para el manto, y

${\displaystyle Q_{\text{cmb}}=Q_{\text{sec,core}}+Q_{\text{L}}+Q_{\text{G}}}$

para el núcleo. es el flujo de calor de superficie [W] en la superficie de la Tierra (y manto), es la secular de calor de enfriamiento desde el manto, y , y son la masa, calor específico, y la temperatura del manto. es la producción de calor radiogénico en el manto y es el flujo de calor desde el límite del manto central. es la secular de calor de enfriamiento desde el núcleo, y y son el flujo de calor latente y gravitacional desde el límite entre el núcleo interno debido a la solidificación de hierro.${\displaystyle Q_{\text{surf}}}$${\displaystyle Q_{\text{sec,man}}=M_{\text{man}}c_{\text{man}}dT_{\text{man}}/dt}$${\displaystyle M_{\text{man}}}$${\displaystyle c_{\text{man}}}$${\displaystyle T_{\text{man}}}$${\displaystyle Q_{\text{rad}}}$${\displaystyle Q_{\text{cmb}}}$${\displaystyle Q_{\text{sec,core}}=M_{\text{core}}c_{\text{core}}dT_{\text{core}}/dt}$${\displaystyle Q_{\text{L}}}$${\displaystyle Q_{\text{G}}}$

Resolviendo y dando,${\displaystyle dT_{\text{man}}/dt}$${\displaystyle dT_{\text{core}}/dt}$

${\displaystyle {\frac {dT_{\text{man}}}{dt}}={\frac {3(-Q_{\text{surf}}-Q_{\text{cmb}})}{4\pi \rho _{\text{m}}c_{\text{m}}(R^{3}-R_{\text{c}}^{3})}}+{\frac {Q_{\text{rad}}}{V_{\text{m}}\rho _{\text{m}}c_{\text{m}}}}}$

y,

${\displaystyle {\frac {dT_{\text{core}}}{dt}}=Q_{\text{cmb}}\left[A_{\text{c}}(L+E_{G})\left({\frac {R_{i}}{R_{\text{c}}}}\right)^{2}\rho _{i}{\frac {dR_{i}}{dT_{\text{cmb}}\eta _{\text{c}}}}-{\frac {R_{\text{c}}^{3}-R_{i}^{3}}{3R_{\text{c}}^{3}}}\rho _{\text{c}}c_{\text{c}}\right]^{-1}}$

Catástrofe térmica

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En 1862, Lord Kelvin calculó la edad de la Tierra entre 20 millones y 400 millones de años asumiendo que la Tierra se había formado como un objeto completamente fundido, y determinó la cantidad de tiempo que tardaría la superficie cercana a enfriarse hasta su nivel actual. temperatura. Dado que el uniformismo requería una Tierra mucho más antigua, existía una contradicción. Finalmente, se descubrieron las fuentes de calor adicionales dentro de la Tierra, lo que permitió una edad mucho más avanzada . Esta sección trata sobre una paradoja similar en la geología actual, llamada catástrofe térmica .

La catástrofe térmica de la Tierra se puede demostrar resolviendo las ecuaciones anteriores para la evolución del manto con . La catástrofe se define como cuando la temperatura media del manto excede el manto solidus de modo que todo el manto se derrite. Usando la relación Urey preferida geoquímicamente de y el exponente de enfriamiento preferido geodinámicamente de la temperatura del manto alcanza el manto sólido (es decir, una catástrofe) en 1-2 Ga. Este resultado es claramente inaceptable porque la evidencia geológica de un manto sólido existe desde 4 Ga (y posiblemente más). Por tanto, el problema de la catástrofe térmica es la paradoja más importante en la historia térmica de la Tierra.${\displaystyle Q_{\text{cmb}}=0}$${\displaystyle T_{\text{man}}}$${\displaystyle Ur=1/3}$${\displaystyle {\text{beta}}=1/3}$

Nueva paradoja del núcleo

La "paradoja del nuevo núcleo" ^[1] postula que las nuevas revisiones al alza de la conductividad térmica del hierro medida empíricamente ^{[2] [3] [4]} en las condiciones de presión y temperatura del núcleo de la Tierra implican que la dínamo está estratificada térmicamente en la actualidad , impulsado únicamente por la convección composicional asociada con la solidificación del núcleo interno. Sin embargo, la evidencia paleomagnética generalizada de una geodinamo ^[5] más antigua que la edad probable del núcleo interno (~ 1 Gyr) crea una paradoja en cuanto a lo que impulsó la geodinamo antes de la nucleación del núcleo interno. Recientemente se ha propuesto que una tasa de enfriamiento del núcleo más alta y una tasa de enfriamiento del manto más baja pueden resolver la paradoja en parte. ^{[6] [7][8]} Sin embargo, la paradoja sigue sin resolverse.

Recientemente se han propuesto dos limitaciones adicionales. Las simulaciones numéricas de las propiedades del material del hierro a alta presión-temperatura ^[9] reclaman un límite superior de 105 W / m / K para la conductividad térmica. Esta revisión a la baja de la conductividad alivia parcialmente los problemas de la paradoja del nuevo núcleo al reducir el flujo de calor adiabático del núcleo requerido para mantener el núcleo térmicamente convectivo. Sin embargo, este estudio fue posteriormente retractado por los autores, ^[10] quienes afirmaron que sus cálculos estaban equivocados por un factor de dos, debido a que se despreciaba la degeneración de espín. Eso reduciría a la mitad la resistividad electrón-electrón, respaldando estimaciones anteriores de alta conductividad del hierro.

Además, experimentos geoquímicos recientes ^[11] han llevado a la propuesta de que el calor radiogénico en el núcleo es mayor de lo que se pensaba. Esta revisión, de ser cierta, también aliviaría los problemas con el balance de calor central al proporcionar una fuente de energía adicional en el tiempo.

Ver también

• Campo magnético de la tierra
• tierra
• Núcleo interno de la Tierra

Lectura adicional

• Boehler, Reinhard (1996). "TEMPERATURA DE FUSIÓN DEL MANTO Y NÚCLEO DE LA TIERRA: Estructura Térmica de la Tierra". Revista anual de ciencias terrestres y planetarias . 24 (1): 15–40. Código Bibliográfico : 1996AREPS..24 ... 15B . doi : 10.1146 / annurev.earth.24.1.15 .
• Davies, Geoffrey F. (2001). Tierra dinámica: placas, penachos y convección del manto (Repr. Ed.). Cambridge: Cambridge University Press. ISBN 9780521599337.
• Fowler, CMR (2006). "7. Calor". La tierra sólida: una introducción a la geofísica global (2ª ed.). Cambridge, Reino Unido: Cambridge University Press. págs. 269–325. ISBN 9780521893077.
• Jacobs, JA (1992). "4. La historia térmica de la Tierra". Interior profundo de la tierra (1ª ed.). Londres: Chapman & Hall. ISBN 9780412365706.
• McKenzie, Dan; Weiss, Nigel (1975). "Especulaciones sobre la historia termal y tectónica de la Tierra" . Revista geofísica de la Royal Astronomical Society . 42 (1): 131-174. doi : 10.1111 / j.1365-246X.1975.tb05855.x .
• Pollack, Henry N .; Hurter, Suzanne J .; Johnson, Jeffrey R. (1993). "Flujo de calor desde el interior de la Tierra: análisis del conjunto de datos global". Reseñas de Geofísica . 31 (3): 267. Bibcode : 1993RvGeo..31..267P . doi : 10.1029 / 93RG01249 .
• Sharpe, HN; Peltier, WR (1978). "Convección del manto parametrizado e historia térmica de la Tierra". Cartas de investigación geofísica . 5 (9): 737–740. Código Bibliográfico : 1978GeoRL ... 5..737S . doi : 10.1029 / GL005i009p00737 .
• Williams, Quentin (6 de octubre de 1997). "¿Por qué el núcleo de la tierra está tan caliente? ¿Y cómo miden los científicos su temperatura?" . Pregunte a los expertos . Scientific American . Consultado el 6 de abril de 2013 .

Referencias

1. Olson, P. (24 de octubre de 2013). "La paradoja del nuevo núcleo". Ciencia . 342 (6157): 431–432. Código bibliográfico : 2013Sci ... 342..431O . doi : 10.1126 / science.1243477 . PMID 24159035 . S2CID 21839488 .  
2. de Koker, N .; Steinle-Neumann, G .; Vlcek, V. (28 de febrero de 2012). "Resistividad eléctrica y conductividad térmica de aleaciones de Fe líquido a altas P y T, y flujo de calor en el núcleo de la Tierra" . Actas de la Academia Nacional de Ciencias . 109 (11): 4070–4073. Código bibliográfico : 2012PNAS..109.4070D . doi : 10.1073 / pnas.1111841109 . PMC 3306690 . PMID 22375035 .  
3. Pozzo, Monica; Davies, Chris; Gubbins, David; Alfè, Dario (11 de abril de 2012). "Conductividad térmica y eléctrica del hierro en las condiciones del núcleo de la Tierra". Naturaleza . 485 (7398): 355–358. arXiv : 1203.4970 . Código Bib : 2012Natur.485..355P . doi : 10.1038 / nature11031 . PMID 22495307 . S2CID 4389191 .  
4. Gomi, Hitoshi; Ohta, Kenji; Hirose, Kei; Labrosse, Stéphane; Caracas, Razvan; Verstraete, Matthieu J .; Hernlund, John W. (noviembre de 2013). "La alta conductividad del hierro y la evolución térmica del núcleo de la Tierra". Física de la Tierra e Interiores Planetarios . 224 : 88-103. Código bibliográfico : 2013PEPI..224 ... 88G . doi : 10.1016 / j.pepi.2013.07.010 .
5. Tarduno, JA; Cottrell, RD; Watkeys, MK; Hofmann, A .; Doubrovine, PV; Mamajek, EE; Liu, D .; Sibeck, DG; Neukirch, LP; Usui, Y. (4 de marzo de 2010). "Geodinamo, viento solar y magnetopausa hace 3.4 a 3.45 mil millones de años". Ciencia . 327 (5970): 1238–1240. Código Bibliográfico : 2010Sci ... 327.1238T . doi : 10.1126 / science.1183445 . PMID 20203044 . S2CID 23162882 .  
6. Driscoll, P .; Bercovici, D. (noviembre de 2014). "Sobre las historias térmicas y magnéticas de la Tierra y Venus: influencias de fusión, radiactividad y conductividad". Física de la Tierra e Interiores Planetarios . 236 : 36–51. Código bibliográfico : 2014PEPI..236 ... 36D . doi : 10.1016 / j.pepi.2014.08.004 .
7. Labrosse, Stéphane (febrero de 2015). "Evolución térmica del núcleo con alta conductividad térmica" . Física de la Tierra e Interiores Planetarios . 247 : 36–55. Código Bibliográfico : 2015PEPI..247 ... 36L . doi : 10.1016 / j.pepi.2015.02.002 .
8. Davies, Christopher J. (abril de 2015). "Historia de enfriamiento del núcleo de la Tierra con alta conductividad térmica" (PDF) . Física de la Tierra e Interiores Planetarios . 247 : 65–79. Código Bibliográfico : 2015PEPI..247 ... 65D . doi : 10.1016 / j.pepi.2015.03.007 .
9. Zhang, Peng; Cohen, RE; Haule, K. (28 de enero de 2015). "Efectos de las correlaciones de electrones sobre las propiedades de transporte del hierro en las condiciones del núcleo de la Tierra". Naturaleza . 517 (7536): 605–607. Código Bib : 2015Natur.517..605Z . doi : 10.1038 / nature14090 . PMID 25631449 . S2CID 4465631 .  
10. Zhang, Peng; Cohen, RE; Haule, K. (4 de agosto de 2016). "Nota de retracción: efectos de las correlaciones de electrones en las propiedades de transporte del hierro en las condiciones del núcleo de la Tierra" . Naturaleza . 536 (7614): 112. Bibcode : 2016Natur.536..112Z . doi : 10.1038 / nature17648 . PMID 27074505 . 
11. Wohlers, Anke; Wood, Bernard J. (15 de abril de 2015). "Un componente similar al mercurio de la Tierra primitiva produce uranio en el núcleo y el manto superior 142Nd" . Naturaleza . 520 (7547): 337–340. Código Bibliográfico : 2015Natur.520..337W . doi : 10.1038 / nature14350 . PMC 4413371 . PMID 25877203 .