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Podemos saber por qué Marte perdió su campo magnético

Marte es un planeta seco gobernado por tormentas de polvo globales. También es un mundo helado, con temperaturas nocturnas invernales de hasta -140 grados Celsius (-220 Fahrenheit) en los polos. Pero no siempre fue un páramo seco, árido, helado e inhóspito. Era un lugar cálido, húmedo, casi acogedor, donde el agua líquida fluía por la superficie, llenando lagos, tallando canales y dejando deltas de sedimentos.

Pero luego perdió su campo magnético y, sin la protección que brindaba, el Sol desnudó la atmósfera del planeta. Sin su atmósfera, el agua desaparece después de eso. Ahora Marte es el Marte que siempre hemos conocido: un lugar que solo los vehículos robóticos encuentran hospitalario.

¿Cómo exactamente perdió su escudo magnético? Los científicos han estado desconcertados durante mucho tiempo.

El escudo magnético es fundamental para mantener la atmósfera y la habitabilidad de la Tierra. Sin él, la Tierra sería como Marte. Pero la Tierra mantuvo su protección y Marte no. Entonces, la Tierra está «hecha de vida», dijo Carl Sagan, mientras que Marte probablemente estaría completamente desprovisto de vida. Marte tiene un remanente débil del campo magnético que emana de su corteza, pero es un fenómeno débil que ofrece poca protección.

La pérdida de su magnetosfera fue catastrófica en Marte. ¿Cómo pasó esto?

Un nuevo estudio publicado en Nature Communications intenta responder a esta pregunta, como muchos estudios anteriores. El título es «Estratificación en núcleos planetarios por inmiscibilidad líquida en Fe-SH». Los autores principales son el profesor Ki Hirose del Departamento de Ciencias Planetarias y de la Tierra de la Universidad de Tokio y Ph.D. Estudiante Shunpei Yokoo en el laboratorio de Hirose.

El núcleo de la Tierra crea un efecto magnético que genera los campos magnéticos de nuestro planeta. Hay un núcleo interno sólido y un núcleo líquido externo. El calor fluye del núcleo interno al núcleo externo, generando corrientes de convección en el núcleo fluido externo. Las corrientes convectivas fluyen en patrones causados ​​por la rotación del planeta, el núcleo interno y el efecto Coriolis. Esto crea la magnetosfera del planeta.

Este diagrama muestra la relación entre el movimiento de fluidos conductores, organizados en bobinas por la fuerza de Coriolis, y el campo magnético generado por el movimiento. Crédito de la imagen: por Andrew Z. Colvin – Trabajo propio, CC BY-SA 4.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?

La magnetosfera rodea la Tierra como un manto protector. El viento solar golpea la magnetosfera, y la magnetosfera lo obliga a fluir alrededor del planeta en lugar de alcanzar la atmósfera o la superficie. La magnetosfera no es una esfera: el viento solar mueve la magnetosfera en una forma asimétrica. La magnetosfera evita que el viento solar destruya la atmósfera de la Tierra. Sin él, la Tierra estaría seca, muerta y estéril, como Marte.

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La magnetosfera de la Tierra no es una esfera en absoluto. El viento solar lo distorsiona en una forma asimétrica. Crédito de la imagen: NASA

Entonces, ¿qué pasó con Marte?

«El campo magnético de la Tierra es impulsado por corrientes térmicas inimaginablemente enormes de metales fundidos en su núcleo. Se cree que los campos magnéticos en otros planetas funcionan de la misma manera», dijo el profesor Hirose en un comunicado de prensa. «Aunque la composición interna de Marte no es aún conocido, la evidencia de meteoritos indica que es hierro fundido enriquecido con azufre. Además, las lecturas sísmicas de la sonda InSight de la NASA en la superficie nos dicen que el núcleo de Marte es más grande y menos denso de lo que se pensaba. Estas cosas indican la presencia de elementos más ligeros adicionales como el hidrógeno. »

agencia de la nasa vehículo de información Se esforzó por lograr todos sus objetivos científicos. Pero ha recopilado algunas pruebas cruciales sobre la estructura interna de Marte. Si los resultados de InSight son correctos, y si el hidrógeno implícito está presente, existe una base para los experimentos que podrían revelar más sobre el escudo magnético faltante de Marte. «En estos detalles, preparamos las aleaciones de hierro que esperamos que formen el núcleo y las sometemos a experimentos», dijo Hirose.

Experimentos anteriores investigaron el comportamiento de los núcleos planetarios a diferentes temperaturas y temperaturas. Pero no se centraron en el hidrógeno. «Las teorías modernas de formación de planetas muestran que se entregó una cantidad significativa de agua tanto a Marte como a la Tierra a medida que se acumulaba, lo que indica que el hidrógeno puede ser un componente óptico importante en el núcleo», explican los autores en su artículo. «Aunque el sistema Fe-SH es importante, se ha investigado poco bajo altas presiones».

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Esta imagen es una representación científica de las corrientes electromagnéticas alrededor de Marte.  Estas son las corrientes residuales de remanentes magnéticos en la corteza marciana.  Es demasiado débil para proteger a Marte del viento solar.  Crédito: NASA/Goddard/MAVEN/CU Boulder/SVS/Cindy Starr
Esta imagen es una representación científica de las corrientes electromagnéticas alrededor de Marte. Estas son las corrientes residuales de remanentes magnéticos en la corteza marciana. Es demasiado débil para proteger a Marte del viento solar. Crédito: NASA/Goddard/MAVEN/CU Boulder/SVS/Cindy Starr

Pero si los datos de InSight son correctos, el hidrógeno en el núcleo Fe-SH puede desempeñar un papel en el colapso del campo magnético de Marte.

Los investigadores han preparado una muestra física que coincide con lo que creen que estuvo compuesto alguna vez el núcleo de Marte. Contenía hierro, azufre e hidrógeno-Fe-SH. Colocaron la muestra en un dispositivo llamado yunque de diamante o celda de yunque de diamante (DAC). El yunque de diamante comprime las muestras entre dos pequeñas placas de diamante. Los diamantes pueden soportar presiones extremas dentro del yunque porque se formaron bajo una tensión extrema en las profundidades de la tierra.

Este diagrama muestra cómo funciona una celda de yunque de diamante.  Las muestras de material pequeño entre un par de celdas de diamante están sujetas a una presión severa.  En este esquema, el zafiro sirve como material de referencia, ya que se conoce su comportamiento bajo estrés severo.  Crédito de la imagen: por Tobias1984: esta imagen vectorial indefinida de W3C se creó con Inkscape., CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=19419201
Este diagrama muestra cómo funciona una celda de yunque de diamante. Un par de celdas de diamante someten pequeñas muestras de material a intensas presiones. En este esquema, el zafiro sirve como material de referencia ya que se conoce su comportamiento bajo estrés extremo. Crédito de la imagen: por Tobias1984 – CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?

El DAC puede someter muestras microscópicas a presiones de cientos de gigapascales. Un láser calentó la muestra para que las condiciones simularan el corazón de Marte. Cuando el equipo sometió la muestra a temperaturas y presiones más altas, la observaron con rayos X y haces de electrones para rastrear los cambios en el material. La muestra de Fe-SH no solo se fundió, sino que también cambió su composición.

Los resultados del experimento se centran en la idea de mezclar. Cuando las sustancias se suman y crean una mezcla homogénea, son miscibles. Cuando las sustancias se suman y no forman una mezcla homogénea, son inmiscibles. La inmiscibilidad Fe-SH a altas temperaturas y presiones jugó un papel importante en la historia de Marte.

«Nos sorprendió mucho ver cierto comportamiento que podría explicar tanto», dijo el profesor Hirose en un comunicado de prensa. «El Fe-SH inicialmente homogéneo se separó en dos líquidos distintos con un nivel de complejidad que no habíamos visto antes bajo este tipo de presiones», dijo Hirose. «Uno de los fluidos de hierro era rico en azufre y el otro era rico en hidrógeno, y esto es clave para explicar el nacimiento y la eventual muerte del campo magnético alrededor de Marte».

Esta fina imagen de electrones del documento muestra cómo se comportaron los dos líquidos en condiciones extremas de presión y temperatura, como las que se encuentran dentro del núcleo marciano.  El líquido de aleación de hierro tiene una textura extraña e inmiscible.  Crédito de la imagen: Yokoo et al.  2022.
Esta fina imagen de electrones del documento muestra cómo se comportaron los dos líquidos en condiciones extremas de presión y temperatura, como las que se encuentran dentro del núcleo marciano. El líquido de aleación de hierro tiene una textura extraña e inmiscible. Crédito de la imagen: Yokoo et al. 2022.

Hirose y su equipo creen que inicialmente, dos líquidos inmiscibles se separaron en el núcleo marciano. Escribieron: «Mientras que los líquidos más densos permanecen separados en la parte más profunda, el líquido más ligero migra hacia arriba y se mezcla con el núcleo líquido a granel, lo que puede impulsar la convección del núcleo marciano». Pero en el área donde se separaron los dos fluidos, sucedió algo más. «Al mismo tiempo, la estratificación de la composición gravitacionalmente estable debería haberse desarrollado en un área donde se produjo la separación de fluidos. Eventualmente, todo el núcleo marciano se estratificó, lo que detuvo la convección».

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Esta figura del artículo muestra cómo el núcleo de Marte y el núcleo de la Tierra comenzaron de manera similar y luego cambiaron con el tiempo.  El núcleo marciano se volvió inmiscible desde el centro hacia el exterior, lo que provocó la estratificación y la interrupción de la convección.  Sin convección, no hay escudo magnético.  El núcleo de la Tierra es diferente y nuestro planeta todavía tiene un escudo magnético.  Crédito de la imagen: Yokoo et al.  2022.
Esta figura del artículo muestra cómo el núcleo de Marte y el núcleo de la Tierra comenzaron de manera similar y luego cambiaron con el tiempo. El azul claro y el azul oscuro representan fluidos hinchados y densos, respectivamente. El núcleo marciano se volvió inmiscible desde el centro hacia el exterior, lo que provocó la estratificación y la interrupción de la convección. Sin convección, no hay escudo magnético. El núcleo de la Tierra es diferente al de Marte. La inmiscibilidad del núcleo líquido creó capas en las capas externas, mientras que las capas internas permanecieron líquidas. El resultado es que nuestro planeta todavía tiene un escudo magnético. Crédito de la imagen: Yokoo et al. 2022.

Los científicos ya sabían cuándo se detuvo la convección y Marte perdió su escudo magnético. Ocurrió hace unos 4 mil millones de años. Este estudio explica por qué termina la convección, lo que resulta en la pérdida del escudo magnético. También explica cómo empezó. «La separación de fluidos inmiscibles ricos en S y ricos en H puede ser responsable del inicio y la terminación de la convección marciana y el movimiento de la dínamo», escribieron en su artículo.

Una vez que los dos liquidadores se separaron, Marte estaba condenado. Ya no hay convección, ni magnetismo, ni atmósfera, ni agua. Se desconoce el marco de tiempo exacto, pero el resultado fue un planeta muerto.

Marte puede estar seco, congelado y sin vida.  Pero sigue siendo fascinante y extraño, tal vez porque sabemos que la Tierra algún día se parecerá a ella.  Esta imagen de mayo de 2015 de la cámara HiRISE en el Mars Reconnaissance Orbiter de la NASA muestra un sitio en Marte asociado con la novela más vendida y la película de Hollywood, "El marciano." Se encuentra en una zona denominada Acidalia Planitia.  Fuente: NASA/JPL-Caltech/Univ.  Arizona
Marte puede estar seco, congelado y sin vida. Pero sigue siendo fascinante y extraño, tal vez porque sabemos que la Tierra algún día se parecerá a ella. Esta imagen de mayo de 2015 de la cámara HiRISE del Mars Reconnaissance Orbiter de la NASA muestra un sitio en Marte asociado con la novela y la película más vendidas de Hollywood, «The Mars». Se encuentra en una zona denominada Acidalia Planitia. Fuente: NASA/JPL-Caltech/Univ. Arizona

Sin embargo, este es solo un estudio y no tenemos la imagen completa. «Con nuestros resultados en mente, esperamos que un mayor estudio sísmico de Marte verifique que el núcleo está realmente en capas tan distintas como esperamos», dijo Hirose. «Si este es el caso, nos ayudará a completar la historia de cómo se formaron los planetas rocosos, incluida la Tierra, y explicar su formación».

Sabemos que la Tierra no será habitable para siempre. En unos 5 mil millones de años, el Sol entrará en su fase de gigante roja y destruirá la Tierra. Pero nuestro escudo magnético protector tampoco durará para siempre y estamos condenados al fracaso sin él. ¿Qué pasará primero? ¿Morir al perder la magnetosfera? ¿O la muerte de una gigante roja?

«Y podrías estar pensando que la Tierra también podría perder su campo magnético algún día, pero no te preocupes, no sucederá hasta dentro de al menos mil millones de años».

Así que tenemos mil millones de años. No lo desperdiciemos.

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