El latido tectónico de la Tierra

En las diversas capas de la Tierra la física progresa a ritmos diferentes. En la atmósfera una tormenta puede desatarse en sólo unas horas. En la corteza los continentes tardan millones de años en moverse, pero un volcán puede entrar en erupción casi sin previo aviso. En el núcleo las corrientes que generan el campo magnético van cambiando su intensidad a lo largo de miles de años. Habitualmente estos procesos pueden estudiarse por separado porque sus tiempos son muy diferentes, pero de vez en cuando descubrimos algún fenómeno verdaderamente global, que nos permite contemplar cómo la Tierra “late” al unísono, desde el núcleo hasta la atmósfera.

En un artículo publicado en la revista Earth and Planetary Science Letters los autores proponen que han encontrado uno de esos fenómenos globales: una oscilación que afecta al campo magnético, a la temperatura de la atmósfera y al movimiento de las placas tectónicas y que se viene repitiendo cada 13 millones de años durante toda la era Cenozoica (aproximadamente los últimos 70 millones de años). Os vamos a contar en detalle en qué consistiría y cuáles creemos que pueden ser sus causas.

Inversiones magnéticas

Todos hemos escuchado que el campo magnético de la Tierra se invierte de tanto en tanto: el polo norte y el polo sur magnético se intercambian y “saltan” de un hemisferio a otro. Este proceso es altamente irregular: en los últimos 5 millones de años ha ocurrido 23 veces, con duraciones muy dispares. Algunas inversiones duran sólo unos pocos miles de años y después se revierten. Otras se mantienen durante centenares de miles de años, como la que estamos viviendo en la actualidad, que dura ya 780.000 años.

La razón de esta irregularidad es que el campo magnético de la Tierra está producido por corrientes de metal fundido en el núcleo externo de nuestro planeta. Si estas corrientes son aproximadamente circulares se establece un polo norte y un polo sur bien definidos. Si las corrientes se vuelven turbulentas el polo norte y el polo sur se desdibujan, la fuerza del campo magnético disminuye y pueden aparecer polos adicionales, todos de menos intensidad que los originales. Aunque hay muchos detalles de este proceso que todavía no entendemos el registro geológico indica claramente que los episodios turbulentos son breves, de cientos o unos pocos miles de años, y después de ellos el campo magnético vuelve a asentarse.

Las inversiones magnéticas son, pues, un proceso bastante irregular y poco periódico, pero sí se observa que hay etapas en las que esas inversiones se producen más a menudo y los periodos de estabilidad son breves, mientras que hay otros momentos en que los episodios estables son largos y las inversiones son más raras. Aunque cada episodio de inversión se deba a fenómenos turbulentos y difíciles de predecir, el hecho de que esos fenómenos sean más habituales sí puede estar apuntando a un estado más “inestable” del núcleo de nuestro planeta.

Es en esto en lo que se han fijado los autores de este artículo. Han tomado el registro de inversiones magnéticas en los últimos 70 millones de años y han mirado cuán frecuentes eran en cada época. En ese registro de frecuencia de inversiones magnéticas esperan que esté codificado cuán estable o inestable era el núcleo externo en cada época.

La temperatura del pasado

La segunda pieza del puzle es el estado de la atmósfera a lo largo de ese tiempo. Hay muchos indicadores que nos pueden informar sobre ello: composición, temperatura, precipitación… pero no todos ellos son fáciles de estimar en un pasado tan lejano como hace 70 millones de años. Por fortuna, muchos de ellos están relacionados: por ejemplo, más CO2 en la atmósfera se traducirá en mayor temperatura. Para este trabajo se ha utilizado el registro de isótopos de oxígeno, que son un indicador de la temperatura.

El oxígeno viene en tres variedades, que se diferencian en el número de neutrones que hay en su núcleo: el oxígeno-16 tiene ocho protones y ocho neutrones; el oxígeno-17 tiene ocho protones y nueve neutrones; y el oxígeno-18 tiene ocho protones y diez neutrones. Los tres oxígenos tienen una química muy parecida, pero el oxígeno-16 es más ligero, al tener menos neutrones, y el oxígeno-18 es el más pesado. Esto hace que haya una pequeña diferencia entre ellos en algunos procesos físicos.

El agua, como sabemos, está formada por un átomo de oxígeno y dos de hidrógeno. Ese oxígeno será en la mayor parte de los casos, oxígeno-16, que es más abundante, pero a veces será un oxígeno-18, y esas moléculas de agua serán un poco más pesadas. Esto afectará a su evaporación: es más fácil evaporar agua con oxígeno-16 porque hay que darle menos energía para que salga volando. Y aquí viene la relación con la temperatura: cuando las temperaturas son altas, hay energía suficiente para evaporar el agua ligera y el agua pesada, pero cuando las temperaturas son bajas se evaporará sobre todo el agua con oxígeno-16, y el oxígeno-18 se quedará. Como resultado, los mares en épocas frías tienen una proporción mayor de oxígeno-18. La diferencia no es muy grande, pero es suficiente para detectarla.

Pero ¿cómo sabemos cuánto oxígeno había en los mares de hace 70 millones de años? Ésta es la parte fácil: los seres vivos utilizan el agua del mar para fabricar sus huesos y sus conchas, así que esas partes duras van a “heredar” la composición de las aguas marinas. Si vamos a estratos formados por conchas de seres marinos en una época determinada y vemos cuánto oxígeno-18 hay en ellos tendremos un indicador, decididamente crudo pero también duradero, de la temperatura de la Tierra en esa época.

Limpiando los datos

Hemos hablado al principio del artículo de un ciclo de 13 millones de años, pero si miramos las dos gráficas que hemos visto hasta ahora, ninguna de ellas parece especialmente periódica. Las inversiones magnéticas se vuelven claramente más frecuentes en los últimos 25 millones de años, y los isótopos de oxígeno muestran que la temperatura de la Tierra ha estado descendiendo en los últimos 50 millones de años. Esto se debe a que el ciclo que estamos buscando no es el único fenómeno que afecta a la atmósfera y al magnetismo de la Tierra.

En cuanto a la temperatura, es bien sabido que la Tierra ha pasado la mayor parte de los últimos 50 millones de años en un ciclo de enfriamiento. Las razones todavía están en discusión, pero un factor importante podría ser el levantamiento de la cordillera del Himalaya, que puso a la intemperie rocas silíceas que reaccionan con el CO2 y lo transforman en carbonatos, retirando CO2 de la atmósfera. En cualquier caso, aunque este fenómeno es interesante por sí mismo, debemos eliminarlo de la ecuación para ver si hay algún otro proceso que esté afectando a la temperatura. Cuando lo hacemos (mirad la curva verde en la última imagen), observamos una clara oscilación con una periodicidad de unos 13 millones de años.

En cuanto al magnetismo, el problema puede estar relacionado con el anterior: el enfriamiento de la Tierra en los últimos millones de años, y el aislamiento de la Antártida cerca del polo sur, llevaron a la formación de hielos perpetuos en este continente. A medida que la Tierra siguió enfriándose también se formaron casquetes de hielo en el hemisferio norte. El peso de estas grandes masas de hielo hunde la corteza y afecta a la rotación de la Tierra, lo cual a su vez afecta a las corrientes de metal fundido en el núcleo externo. Creemos, pues, que los ciclos de avance y retirada de las grandes masas de hielo afecta al campo magnético y puede desencadenar inversiones o, al menos, episodios más turbulentos en el núcleo. Eso, quizá, es lo que se observa cuando vemos una mayor frecuencia de inversiones magnéticas en los últimos 25 millones de años.

Por fortuna, los ciclos glaciales los conocemos bien: sabemos que están relacionados con cambios en la órbita y la inclinación de la Tierra, y todos ellos duran menos de 100.000 años. Así que si ignoramos el “ruido” magnético con un grano más fino que 100.000 años quizá podamos quitarnos de encima los efectos del hielo. El resultado es que tras esta “limpieza” la evolución del magnetismo y la temperatura en los últimos 70 millones de años se parecen notablemente: ambos muestran una suave oscilación, que se repite con un periodo de aproximadamente 13 millones de años.

La pregunta, desde luego, es ¿por qué? ¿Qué conexión puede haber entre el núcleo terrestre y la atmósfera que haga que ambos “latan” al unísono cada 13 millones de años? La respuesta a esta pregunta no está clara. En primer lugar, hemos visto que para llegar a esta conclusión hemos tenido que limpiar los datos, asumiendo cosas que son razonables pero que pueden estar erradas. El “masaje” de los datos siempre es necesario, pero también es siempre peligroso, así que otros grupos habrán de volver a encontrar estas oscilaciones en otros indicadores y con otros métodos de análisis. Hasta entonces, este resultado es un indicio muy interesante, pero sólo un indicio.

Tectónica de ida y vuelta

Prueba de que el carácter de este hallazgo es todavía un poco frágil es que la explicación más razonable para este ciclo no termina de encajar del todo. La conexión más importante entre la superficie y el interior de la Tierra son las placas tectónicas: la corteza terrestre es una especie de puzle formado por piezas de cien kilómetros de grosor, las placas tectónicas. Las placas encajan unas con otras, pero lo hacen a duras penas porque están continuamente en movimiento.

Las placas se mueven empujadas por magma que sale del interior de la Tierra. Los bordes de algunas placas, como el que pasa por el centro del océano Atlántico, no son meras fronteras, sino que son en realidad grietas por las que el magma brota, lenta pero continuamente. Al salir, el magma empuja a la placas, y éstas no pueden hacer otra cosa que colisionar con sus vecinas. En estas colisiones habitualmente una de las placas se “arruga” y la otra se desliza por debajo de ella. El ejemplo más claro es la cordillera del Himalaya, que se forma cuando la placa choca con la euroasiática: ésta se arruga, formando la cordillera, y la placa índica se hunde debajo de la euroasiática. Este proceso de hundimiento se llama subducción.

La subducción podría estar detrás del ciclo de 13 millones de años, porque al hundirse, las placas empiezan a “bucear” por el manto. Las placas están frías, porque vienen de la superficie, así que se hunden cada vez más, hasta que al final llegan a la frontera con el núcleo. Como no entendemos bien las corrientes del núcleo externo no sabemos bien cómo puede afectarle que una placa tectónica se arrastre sobre él, pero es razonable pensar que esto pueda provocar algunas turbulencias, que generen después inversiones del campo magnético.

A la vez, la placa que ha llegado a tocar el núcleo desplaza material del manto que estaba allí instalado, y ese material, como está caliente, tiende a subir y puede acabar emergiendo en una de estas grietas tectónicas. El magma del manto viene cargado de CO2, que al salir a la atmósfera produce efecto invernadero y por tanto la Tierra se calienta. Eso es lo que vemos en los registros: que los periodos de mayor turbulencia magnética se corresponden también con periodos de temperaturas más altas.

Este relato de los hechos parece razonable, y lo bueno es que puede comprobarse si encaja. Como el aumento de la temperatura y de la turbulencia magnética se deberían a placas tectónicas que se han hundido en el manto, deberíamos encontrar que los periodos con más inversiones magnéticas (o con mayor temperatura) deberían estar precedidos por periodos con mucha actividad tectónica. Más subducción significa que en el futuro deberíamos tener más actividad volcánica y más inestabilidad magnética. Lo que encontramos cuando miramos los registros es… bueno, no muy satisfactorio.

Buenas y malas noticias

Los datos de cuánta actividad tectónica ha habido en el pasado no son tan buenos como los registros magnéticos y del oxígeno marino, lo cual no facilita el trabajo. Después de un poco de limpieza adicional parece que los registros tectónicos también muestran (aunque de forma más tentativa) una periodicidad de aproximadamente 13 millones de años. Además, vemos que la actividad tectónica precede a la actividad magnética y a la subida de las temperaturas. Todo esto es bueno: es exactamente lo que esperaríamos de nuestro relato, ¿verdad?

Pues ése es el problema: que es demasiado bueno. La gráfica muestra que la actividad magnética alcanza su máximo sólo 3-4 millones de años después de que la actividad tectónica alcance su máximo. Pero todos los modelos nos dicen que las placas tectónicas tardan 30 millones de años en hundirse en el manto. ¿Cómo pueden estar provocando un efecto tan pronto?

Desde luego, podría ser que nos faltasen datos. Podría ser que estemos viendo hace 50 millones de años el resultado de cosas que pasaron hace 80, o hace 90 millones de años. También podría ser que el registro tectónico no sea suficientemente bueno y nos estemos equivocando al interpretarlo. Pero, ay, también podría ser que después de tanta limpieza y tanto masaje a los datos los hayamos desfigurado. Por todo esto es tan importante que se analicen otros conjuntos de datos y utilizando otras técnicas, para ver si estamos viendo algo que de verdad está en los registros o algo que hemos creado con nuestro análisis.

La geología es una ciencia difícil. Dependemos de los datos que están suficientemente cerca de la superficie como para que podamos recogerlos, y de las pocas técnicas experimentales que nos permiten inspeccionar el interior de la Tierra. La calidad de los registros no siempre es perfecta y a menudo hemos de analizar los datos con inteligencia y con prudencia. Este nuevo estudio abre la puerta a una posibilidad fascinante: que nuestro planeta “respire” geológicamente al ritmo al que se hunden las placas tectónicas y se crean otras nuevas, con consecuencias en el clima y en la intensidad del campo magnético. Los indicios son emocionantes, pero como siempre en ciencia, paciencia. Llegarán nuevos datos que nos dirán si hemos ido muy deprisa o si éste es un gran descubrimiento.

QUE NO TE LA CUELEN

• El trabajo del que hablamos en este artículo es todavía un primer resultado. No hay que tomarlo como una verdad científica asentada, sino como una posibilidad intrigante y una avenida abierta a nueva investigación.
• El campo magnético de la Tierra está cambiando continuamente. Estos cambios son lentos: del orden de décadas para el movimiento de los polos magnéticos y del orden de siglos para una inversión magnética. A pesar de lo que se puede leer de vez en cuando por ahí no hay ninguna indicación de que en la actualidad estemos en un periodo especialmente inestable, sino todo lo contrario.
• La temperatura de la Tierra se ve afectada por muchos factores. Como podemos ver en las gráficas, este ciclo de 13 millones de años sería sólo una componente pequeña, menos importante que otras, como la acumulación de hielo en los casquetes polares o el CO2 que la actividad humana está lanzando a la atmósfera.

REFERENCIAS

• Jiasheng Chen et al. The 13 million year Cenozoic pulse of the Earth. Earth and Planetary Science Letters, vol. 431, pp. 256-263 (2015)
• Gary A. Glatzmaier. The Geodynamo. Página web (1996)
• Maxwell Brown et al. Earth’s magnetic field is probably not reversing. PNAS, vol. 115, nº 20, pp. 5111-5116 (2018)
• Zachary Sharp. Principles of stable isotope geochemistry. Pearson Prentice Hall (2007)