Las entrañas de la Tierra siguen siendo una estructura misteriosa para los geólogos que intentan comprender cómo es que funciona. Especialmente a mayores profundidades donde la ciencia todavía no ha podido llegar directamente y que sólo ha podido explorar mediante imágenes tomográficas sísmicas. Allí debajo de nuestros pies pero a distancias que superan lo 660 kilómetros de profundidad, existe una gran cantidad de minerales que están experimentando fenómenos cuánticos que podrían aumentar la actividad de terremotos y erupciones volcánicas, dice una nueva investigación.

erupciones volcánicas

El estudio de las profundidades

El estudio de las entrañas de la Tierra se hace mediante tomografías sísmicas que para ser interpretadas, requieren de cálculos de velocidades sísmicas (acústicas) en minerales a altas temperaturas y presiones. Con esta información, luego se generan mapas de velocidad en 3D, para desvelar la mineralogía y temperatura en distintas regiones. Cuando ocurre un cambio de fase en un mineral, como un cambio de estado sólido a gaseoso o líquido, las imágenes arrojan un cambio de velocidad. Conocemos las transiciones de fase como los cambios de la materia que se puedan dar de un estado a otro, como cuando el agua líquida se evapora en gas. Sin embargo, cuando este cambio ocurre a temperatura cero, se le conoce como transición de fase cuántica en determinadas condiciones.

Los minerales que yacen en el interior de la Tierra, a su vez están compuestos por partículas cuánticas que tienen propiedades específicas. Por ejemplo, poseen una cantidad de energía específica, un momento angular característico y un espín. Cuando las condiciones óptimas surgen, las partículas experimentarán cambios que se manifiestan como un cambio de fase.

Descifrando los cambios de fase cuánticos

La primera vez que los científicos descubrieron un cambio de fase en un mineral en las profundidades, fue en 2003. En un laboratorio identificaron un cambio de giro en el hierro en la ferropericlasa, el segundo componente más abundante del manto inferior de la Tierra. Se trató de un cambio de espín, o cruce de espín, que puede ocurrir en minerales como la ferropericlasa bajo un estímulo externo, como presión o temperatura.

Desde entonces los expertos han confirmado este cambio en la fase cuántica, tanto en la ferropericlasa, pero también en otros elementos como la bridgmanita. Luego en 2006, Renata Wentzcovitch de la Universidad de Columbia, proporcionó una teoría sobre el cruce de espín en este material. En ese sentido, Wentzcovitch predijo que dicho fenómeno podía observarse en las tomografías sísmicas, aunque los sismólogos no pudieron observarlo. Ya que existe una brecha entre los físicos y matemáticos teóricos, y los sismólogos, que trabajan cada uno por su parte.

“Las simulaciones geodinámicas han demostrado que el cruce de espín vigoriza la convección en el manto de la Tierra y el movimiento de las placas tectónicas. Entonces pensamos que este fenómeno cuántico también aumenta la frecuencia de eventos tectónicos como terremotos y erupciones volcánicas”, explica Wentzcovitch en un comunicado.

terremotos
M. Meschede

La unión de dos ciencias 

Finalmente la profesora de la Universidad de Columbia organizó un equipo de trabajo multidisciplinario. Con cuyos esfuerzos se pudo identificar la señal de cruce de espín de ferropericlasa, una transición de fase cuántica en las profundidades del manto inferior de la Tierra.

“Este hallazgo emocionante, que confirma mis predicciones anteriores, ilustra la importancia de que los físicos de materiales y los geofísicos trabajen juntos para aprender más sobre lo que está sucediendo en las profundidades de la Tierra”, dijo Wentzcovitch. 

Es posible que los grandes movimientos de la Tierra que vemos reflejados como sismos o actividad volcánica, se estén gestando ahora mismo desde las entrañas del planeta, pero a escalas cuánticas. Sin duda es impresionante pensar cómo la Tierra se comporta como un ser vivo desde las escalas más microscópicas hasta las más grandes. Todo en ella parece estar interconectado.

Referencias:
Shephard, G. Houser, C. Hernlund, W. (2021). Seismological expression of the iron spin crossover in ferropericlase in the Earth’s lower mantle. Nature Communications. 12, 5905. DOI.