First-Principles Calculation of FE1-X SX Liquid Alloys at Conditions of Earth’s Outer Core
Este estudio utiliza cálculos de primeros principios para caracterizar las propiedades estructurales, dinámicas y termodinámicas de las aleaciones de Fe-S líquidas bajo las condiciones del núcleo externo de la Tierra, revelando que si bien las concentraciones de azufre entre el 10.2 y el 11.4 % en peso pueden explicar la densidad del núcleo, no logran explicar su velocidad del sonido, indicando así que el azufre por sí solo no puede ser el único elemento ligero presente.
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Bajo nuestros pies, oculto de la vista directa, yace un océano turbulento de metal que impulsa el campo magnético de la Tierra y moldea el calor interno del planeta. Este es el núcleo externo, una capa de hierro líquido que se extiende desde el límite con el núcleo interno sólido hasta el manto superior. Aunque no podemos perforar en esta región, los sismólogos pueden escuchar las vibraciones de la Tierra a medida que viajan a través de ella, de forma muy similar a como un médico utiliza ondas sonoras para ver el interior de un cuerpo. Estas mediciones revelan que el núcleo líquido es menos denso de lo que sería el hierro puro a esas profundidades aplastantes, lo que sugiere que está mezclado con elementos más ligeros. Durante décadas, los científicos han debatido cuál de estos elementos ligeros —quizás oxígeno, silicio o azufre— es el ingrediente principal en esta sopa cósmica. Comprender la receta exacta es crucial porque la densidad y la velocidad del sonido a través del núcleo nos indican cómo la Tierra genera su escudo magnético y cómo se ha enfriado a lo largo de miles de millones de años.
Un equipo de investigadores se ha dirigido ahora a potentes simulaciones por computadora para resolver una pieza de este rompecabezas, centrándose específicamente en el azufre. Utilizando un método que calcula el comportamiento de los átomos a partir de las leyes fundamentales de la física, modelaron hierro líquido mezclado con cantidades variables de azufre bajo las condiciones extremas de presión y temperatura que se encuentran en el núcleo externo. En lugar de depender de experimentos físicos que son increíblemente difíciles de realizar a tales profundidades, construyeron un laboratorio virtual donde podían observar cómo los átomos de hierro y azufre se mueven, se unen e interactúan. Probaron mezclas que iban desde hierro puro hasta casi un quince por ciento de azufre en peso, observando cómo estos cambios afectaban las propiedades del material y la velocidad a la que el sonido viajaría a través de él.
Las simulaciones revelaron que, a medida que se añade azufre al hierro líquido, los átomos se reordenan. Los átomos de azufre, al ser más pequeños y ligeros, forman enlaces más estrechos con el hierro, acercando la distancia promedio entre los átomos. Este cambio estructural tiene un efecto claro en las propiedades del material: la densidad de la mezcla disminuye, mientras que la velocidad a la que viaja el sonido a través de ella aumenta. Los investigadores descubrieron que la presión juega un papel mucho mayor en el cambio de estas propiedades que la cantidad de azufre, pero el contenido de azufre aún deja una huella distintiva. Al comparar sus resultados simulados con los datos sísmicos del mundo real de la Tierra, pudieron reducir el posible contenido de azufre presente.
El estudio sugiere que, si el azufre fuera el único elemento ligero mezclado en el núcleo, tendría que representar entre aproximadamente el diez y el once por ciento de la aleación en peso para coincidir con la densidad observada. Esta concentración específica encaja con las mediciones sísmicas de qué tan pesado es el núcleo. Sin embargo, surge un problema significativo cuando los investigadores observan la velocidad del sonido. Con esta misma concentración de azufre, las ondas sonoras simuladas viajan demasiado rápido en comparación con lo que los sismólogos miden realmente en la Tierra. Los modelos indican que, para coincidir con la velocidad del sonido, el núcleo tendría que contener mucho menos azufre, quizás menos del nueve por ciento, pero esa cantidad no explicaría la densidad del núcleo.
Este desajuste entre la densidad y la velocidad del sonido conduce a una conclusión clara: el azufre por sí solo no puede explicar la composición del núcleo externo de la Tierra. Los datos implican que otro elemento ligero, no visto, debe estar presente junto al azufre para equilibrar las ecuaciones. El trabajo de los investigadores proporciona una referencia precisa y autoconsistente de cómo se comportan el hierro y el azufre juntos bajo estas condiciones extremas, sirviendo como una base sólida para estudios futuros que probablemente deberán incluir un tercer o incluso un cuarto elemento para resolver completamente el misterio del corazón oculto de la Tierra. Sus hallazgos confirman que, si bien el azufre es un candidato probable, la verdadera receta del núcleo de nuestro planeta es más compleja que una simple mezcla de dos ingredientes.
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