La vida de la Tierra: Estructura y Capas de la Tierra

Una estructura diferenciada desde la formación

Desde su formación hace aproximadamente 4.56 mil millones de años, la Tierra se ha diferenciado gradualmente bajo el efecto de la gravedad, el calor residual y el bombardeo de meteoritos. Esta diferenciación produjo una organización en capas concéntricas, cada una con propiedades físicas, térmicas y mecánicas distintas. La dinámica interna de estas capas es el origen de fenómenos como la deriva de los continentes, el vulcanismo o el magnetismo terrestre.

Las cuatro grandes capas de la Tierra

La Tierra está compuesta por cuatro capas principales: la corteza, el manto, el núcleo externo y el núcleo interno. Estas capas están separadas por discontinuidades físicas distintas (Mohorovičić, Gutenberg, Lehmann), detectadas por el análisis de la propagación de las ondas sísmicas.

Fuentes: USGS – Estructura de la Tierra, Dentro de la Tierra, Nature, 2012 – Rotación del núcleo interno.

Las discontinuidades internas de la Tierra

Las capas internas de la Tierra no están separadas de manera progresiva, sino por transiciones físicas marcadas llamadas discontinuidades sísmicas. Estas corresponden a saltos bruscos de densidad, composición química o comportamiento mecánico detectados por el análisis de las ondas sísmicas.

A. Discontinuidad de Mohorovičić (Moho)

Descubierta en 1909 por el sismólogo croata Andrija Mohorovičić, esta discontinuidad marca la frontera entre la corteza terrestre (oceánica o continental) y el manto superior. Se caracteriza por un aumento repentino en la velocidad de las ondas sísmicas, debido al paso de rocas corticales (graníticas o basálticas) a rocas más densas (peridotitas) del manto. La profundidad del Moho varía entre 5 km bajo los océanos y 70 km bajo las cadenas montañosas continentales.

B. Discontinuidad de Gutenberg

Ubicada a unos 2.900 km de profundidad, la discontinuidad de Gutenberg separa el manto inferior sólido del núcleo externo líquido. En este límite, las ondas sísmicas de tipo S (ondas de corte) se interrumpen bruscamente, ya que no se propagan en líquidos, mientras que las ondas P (ondas de compresión) experimentan una fuerte disminución de velocidad y una refracción notable. Este comportamiento indica un cambio radical en la fase de la materia (sólido → líquido) y en la composición (silicatos → aleación de hierro y níquel).

C. Discontinuidad de Lehmann

Descubierta en 1936 por la sismóloga danesa Inge Lehmann, esta discontinuidad se localiza alrededor de los 5.100 km de profundidad y separa el núcleo externo líquido del núcleo interno sólido. Se deduce de la reaparición de ondas P refractadas en el núcleo interno, lo que implica un cambio en el estado físico del hierro (líquido → sólido) bajo el efecto de presiones muy altas. Este núcleo interno, aunque más caliente, permanece sólido debido a presiones extremas que favorecen la cristalización del hierro.

Cuando las cuatro grandes capas de la Tierra se apilaron

La Tierra se formó por la acreción de materiales sólidos y líquidos dentro del disco protoplanetario. Originalmente, este cuerpo era en gran parte homogéneo. El apilamiento de las capas internas (corteza, manto, núcleo externo y núcleo interno) es el resultado de un proceso de diferenciación gravitacional y térmica que ocurrió principalmente durante los primeros cientos de millones de años siguientes a su formación.

Mecanismos físicos en el origen de la diferenciación

Varias fuentes de energía causaron la fusión parcial de la Tierra primitiva, facilitando la separación de materiales según su densidad:

• Calor de acreción: Los impactos repetidos de meteoritos convirtieron la energía cinética en calor intenso, fundiendo parcialmente el planeta.
• Desintegración radiactiva: La descomposición de isótopos radiactivos (como \(^{26}\)Al, \(^{60}\)Fe) generó un calor interno continuo.
• Segregación gravitacional: Bajo el efecto de la gravedad, los materiales más densos (hierro, níquel) migraron hacia el centro, formando el núcleo.
• Decantación gravitacional: La diferencia de densidad entre los silicatos (~3,3 g/cm\(^3\)) y los metales (~7,8 g/cm\(^3\)) permitió la formación de capas distintas, en analogía con una separación de fases líquidas.

Cronología de la formación de las capas

¿Por qué este apilamiento es estable?

El apilamiento en capas concéntricas se explica por la minimización de la energía potencial gravitacional del sistema. Los materiales más pesados y densos migran hacia el centro, mientras que los materiales más ligeros forman las envolturas externas. La presión creciente en profundidad modifica las propiedades físicas y térmicas, permitiendo la existencia de un núcleo interno sólido a pesar de las temperaturas muy elevadas.

Transiciones detectadas por la sismología

Las ondas sísmicas (\(P\), \(S\), \(L\), \(R\)) nos informan sobre la naturaleza interna de la Tierra. Por ejemplo, las ondas \(S\) no atraviesan el núcleo externo líquido, mientras que las ondas \(P\) se ralentizan considerablemente allí. La existencia del núcleo interno sólido fue postulada ya en 1936 por Inge Lehmann (1888-1993), basada en un eco sísmico reflejado.

Las capas y la vida terrestre

El núcleo externo y el campo magnético terrestre

El núcleo externo líquido, compuesto principalmente de hierro y níquel en fusión, genera un campo magnético terrestre a través del mecanismo de la dínamo. Este campo forma una barrera protectora contra el viento solar, compuesto de partículas cargadas energéticas que, sin esta protección, erosionarían la atmósfera y expondrían la superficie a radiaciones mortales. La preservación de la atmósfera está así asegurada, una condición indispensable para la vida.

La tectónica de placas y el ciclo de los elementos

La tectónica de placas, resultante de la plasticidad y los movimientos convectivos en el manto superior, asegura la renovación continua de la corteza terrestre. Este proceso recicla elementos químicos esenciales, como el carbono, el nitrógeno y el fósforo, a través de la subducción y las surgencias magmáticas, regulando el clima global y proporcionando los nutrientes necesarios para los ecosistemas.

La actividad volcánica y el mantenimiento de la atmósfera

El enfriamiento progresivo de la Tierra causa una transferencia de calor hacia la superficie, alimentando la actividad volcánica. Las emisiones volcánicas, particularmente de dióxido de carbono y vapor de agua, contribuyen a la formación y mantenimiento de la atmósfera y la hidrosfera, elementos indispensables para la vida.

La corteza continental: un soporte estable para la vida compleja

La creciente rigidez y solidez de la corteza continental proporcionan un sustrato estable para la biosfera. Los continentes influyen en los ciclos oceánicos y atmosféricos, creando condiciones ambientales propicias para la biodiversidad y la evolución de formas de vida complejas.

Una estructura interna indispensable para la vida

La estructura interna de la Tierra, desde el núcleo hasta la corteza, es tanto el motor como el regulador de las condiciones fisicoquímicas necesarias para la emergencia, el mantenimiento y la evolución de la vida terrestre.