Energía

Un complejísimo sistema revela cómo funciona el campo magnético de la Tierra

El aparato consiste en un hemisferio de cristal relleno de ácido sulfúrico que rota dentro del campo magnético más potente del mundo. El resultado: un modelo a escala del campo magnético terrestre

  • Lunes, 20 de junio de 2016
  • Por Emerging Technology From the arXiv
  • Traducido por Teresa Woods

Una de las grandes incógnitas de la geofísica es cómo la Tierra genera y mantiene su campo magnético. La creencia general es que cuando los materiales conductores del núcleo externo del planeta se desplazan debido a la convección se generan corrientes eléctricas las cuales producen el campo magnético.

Pero este campo también está afectado por la rotación de la Tierra, y esto influye en las corrientes de convección de materiales conductores del núcleo. El resultado es un potente proceso de retroalimentación que da paso a un comportamiento enormemente complejo.

Para entender mejor estos procesos, los físicos han desarrollado modelos físicos cada vez más detallados del núcleo de nuestro planeta. La mayoría de los experimentos simulan el núcleo conductor con el uso de metales líquidos que rotan en un plano dentro de un campo magnético externo.

Pero estos experimentos tienen una importante limitación. El metal líquido es opaco, por lo que no es posible observar cómo las corrientes de convección evolucionan dentro de ellos, especialmente cuando el movimiento normalmente se realiza en un plano. Tampoco ayudan demasiado las simulaciones informáticas, ya que la física subyacente es tan compleja y los esfuerzos de retroalimentación tan fuertes que ni las mejores pueden resolver la ecuación resultante al nivel de detalle requerido.

El resultado es que ni los modelos físicos ni las simulaciones informáticas han logrado reproducir el comportamiento observado del campo de la Tierra.

Lo que se necesitaba era un modelo distinto capaz de captar mejor los complejos procesos que intervienen, y preferiblemente uno capaz de revelar la manera en la que las corrientes de convección nacen y evolucionan.

El investigador de la Universidad Coventry (Reino Unido) Kelig Aujogue cambia esto con un nuevo modelo experimental basado en un hemisferio rotante lleno de un electrolito transparte. Aujogue afirma que su modelo revela por primera vez cómo el campo magnético cambia drásticamente la estructura de las columnas de convección del interior de la Tierra.

Primero, algunos datos sobre las fuerzas que actúan dentro del núcleo de la Tierra. Los principales fenómenos son: la flotabilidad, que impulsa el movimiento fluído; el efecto Coriolis generado por la rotación del planeta; y la fuerza magnética resulutante de la interacción entre inducidas corrientes eléctricas y campos magnéticos.

Los geofísicos caracterizan cómo estas fuerzas interactúan con el número de Ekman, que representa el ratio entre las fuerzas viscosas presentes en un fluído y las fuerzas que surgen de la rotación planetaria. Cuando el número de Ekman es pequeño, las peturbaciones dentro del fluído son capaces de propagarse pero este proceso de propagación es sumamente complejo.

El número de Ekman del núcleo de la Tierra es diminuto, alrededor de 10:15. Los mejores modelos informáticos pueden simular los números de Ekman de la orden de alrededor de 10:5, pero incluso esos resultados nunca han sido calibrados en comparación con los resultados experimentales del uso de metales líquidos porque el flujo no se puede observar en estos experimentos.

Aquí es donde entra el equipo de Aujogue. Su aparato consiste en una cúpula hemisférica de cristal llena de ácido sulfúrico, calentado desde el centro del aparato por un elemento cilíndrico de calor y enfriado por fuera.

Mientras que el ácido sulfúrico es un conductor razonablemente eficaz, es alrededor de cuatro órdenes de magnitud peor que los metales líquidos. El equipo lo compensa colocando el aparato al completo dentro de un campo magnético enormemente potente de hasta 10 teslas, unas 100 veces mayor de lo que se puede lograr con electroimanes convencionales.

Sólo existe un lugar en nuestro planeta capaz de generar campos magnéticos de esta potencia: el Laboratorio Grenoble de Campos Magnéticos Potentes en Francia, que es donde el equipo montó su experimento.

El aparato al completo ha de rotar dentro de este campo. Esto significa que todos los componentes han de ser hechos de materiales no magnéticos para evitar las corrientes inducidas que eso generaría.

Manipular el ácido sulfúrico tampoco es un camino de rosas tampoco. Los componentes han de ser químicamente resistentes, y el experimento cuidadosamente diseñado, para garantizar la seguridad de los científicos involucrados. El aparato también tiene que ser diseñado de tal forma que los datos de los experimentos puedan ser recopilados fácilmente.

Para observar el flujo dentro del núcleo, el equipo emplea una técnica llamada velocimetría de imagen de partícula. Se dirige un láser al fluído y se graba cómo se refleja en pequeñas partículas o burbujas dentro de él. Al rastrear su movimiento, es posible desarrollar una detallada imagen en 3D del flujo.

Pero a pesar de todos estos obstáculos, el resultado es impresionante. "Por primera vez, las fuerzas [principales] pueden ser generadas y controladas con precisión dentro de un flujo que también puede ser totalmente mapeado por medio de técnicas de visualización óptica", explica el equipo de Aujogue.

Y los resultados son sorprendentes. "El campo magnético tiene un efecto espectacular sobre la estructura de las columnas de convección", escribe el equipo.

Esto no sólo aplica a la Tierra, sino también a cualquier planeta o luna con un campo magnético y un núcleo líquido, como Mercurio y Ganimedes, uno de los satélites de Júpiter.

Y genera muchísimas posibilidades para trabajos futuros. El equipo asegura que se puede modificar fácilmente el tamaño del núcleo y la diferencia de temperatura que genera para que diferentes régimenes puedan ser investigados.

Por supuesto, hay que hacer más trabajos para comprobar con cuánta precisión reflejan lo que sucede dentro de la Tierra. Pero esto representa un paso fascinante en el camino hacia unos modelos aún mejores que describan de forma completa el extraño campo magnético de la Tierra.

Ref: arxiv.org/abs/1606.01780: Little Earth Experiment: an Instrument to Model Planetary Cores             

Para comentar, por favor accede a tu cuenta o regístrate

¿Olvidaste tu contraseña?

Informes Especiales

El futuro de la medicina: un tratamiento para cada paciente

Una ola de avances científicos e inversiones financieras puede estar a punto de marcar el nacimiento de una nueva era de atención sanitaria marcada por la personalización y la precisión. Bienvenidos al futuro de la medicina.

Otros Informes Especiales

Advertisement
Advertisement
Publicidad