Superrotación del núcleo interno

La superrotación del núcleo interno es la rotación hacia el este del núcleo interno de la Tierra en relación con su manto , con una tasa de rotación neta que es generalmente ^{[ aclaración necesaria ]} más rápida que la de la Tierra en su conjunto. Un modelo de 1995 del dinamo de la Tierra predijo superrotaciones de hasta 3 grados por año; el año siguiente, esta predicción fue apoyada por discrepancias observadas en el tiempo que las ondas p tardan en viajar a través del núcleo interno y externo.

Un modelo de 1995 del dinamo de la Tierra predijo superrotaciones de hasta 3 grados por año; al año siguiente, esta predicción fue apoyada por discrepancias observadas en el tiempo que tardan las ondas p en viajar a través del núcleo interno y externo. El uso de ondas s y p aumenta drásticamente los niveles de confianza de las numerosas conclusiones de los datos sísmicos.

Las observaciones sísmicas han hecho uso de una dependencia de la dirección (anisotropía) de la velocidad de las ondas sísmicas en el núcleo interno, así como de variaciones espaciales de la velocidad. Otras estimaciones provienen de oscilaciones libres de la Tierra . Los resultados son inconsistentes y la existencia de una superrotación aún es controvertida, pero es probable que sea inferior a 0,1 grados por año.

Cuando los modelos de geodinamo tienen en cuenta el acoplamiento gravitacional entre el núcleo interno y el manto, reducen la superrotación prevista a tan solo 1 grado por millón de años. Para que el núcleo interno gire a pesar del acoplamiento gravitacional, debe poder cambiar de forma, lo que impone restricciones a su viscosidad .

Un estudio de 2023 informó que el giro del núcleo interno de la Tierra dejó de girar más rápido que la superficie del planeta alrededor de 2009 y es probable que ahora esté girando más lento que él. ^[1]

En el centro de la Tierra se encuentra el núcleo, una bola con un radio medio de 3480 kilómetros que está compuesta principalmente de hierro. El núcleo externo es líquido mientras que el núcleo interno , con un radio de 1220 km, es sólido. ^[2] Debido a que el núcleo externo tiene una baja viscosidad , podría estar girando a una velocidad diferente del manto y la corteza . Esta posibilidad fue propuesta por primera vez en 1975 para explicar un fenómeno del campo magnético de la Tierra llamado deriva hacia el oeste: algunas partes del campo giran alrededor de 0,2 grados por año hacia el oeste en relación con la superficie de la Tierra. En 1981, David Gubbins de la Universidad de Leeds predijo que una rotación diferencial del núcleo interno y externo podría generar un gran campo magnético toroidal cerca del límite compartido, acelerando el núcleo interno a la velocidad de la deriva hacia el oeste. ^[3] Esto estaría en oposición a la rotación de la Tierra , que es hacia el este, por lo que la rotación general sería más lenta. ^[4]

En 1995, Gary Glatzmeier en Los Alamos y Paul Roberts en UCLA publicaron el primer modelo tridimensional "autoconsistente" del dinamo en el núcleo. ^[6] El modelo predijo que el núcleo interno gira 3 grados por año más rápido que el manto, un fenómeno que se conoció como superrotación. ^{[7] [8]} En 1996, Xiaodong Song y Paul G. Richards, científicos del Observatorio Terrestre Lamont-Doherty , presentaron evidencia sísmica de una superrotación de 0,4 a 1,8 grados por año, ^{[9] [10]} mientras que otro estudio estimó que la superrotación era de 3 grados por año. ^[11]

Las principales limitaciones observacionales sobre la rotación del núcleo interno provienen de la sismología. Cuando ocurre un terremoto, dos tipos de ondas sísmicas viajan a través de la Tierra: aquellas con movimiento del suelo en la dirección en que se propaga la onda ( ondas p ) y aquellas con movimiento transversal ( ondas s ). Las ondas S no viajan a través del núcleo externo porque involucran esfuerzo cortante , un tipo de deformación que no puede ocurrir en un líquido. En notación sísmica, una onda p se representa con la letra P cuando viaja a través de la corteza y el manto y con la letra K cuando viaja a través del núcleo externo. Una onda que viaja a través del manto, núcleo y manto nuevamente antes de alcanzar la superficie se representa con PKP. Por razones geométricas, se distinguen dos ramas de PKP: PKP(AB) a través de la parte superior del núcleo externo y PKP(BC) a través de la parte inferior. Una onda que pasa a través del núcleo interno se conoce como PKP(DF). (Los nombres alternativos para estas fases son PKP1, PKP2 y PKIKP). ^[12] Las ondas sísmicas pueden viajar por múltiples caminos desde un terremoto hasta un sensor determinado. ^[13]

Las ondas PKP(BC) y PKP(DF) tienen trayectorias similares en el manto, por lo que cualquier diferencia en el tiempo total de viaje se debe principalmente a la diferencia en las velocidades de las ondas entre el núcleo externo e interno. Song y Richards observaron cómo esta diferencia cambió con el tiempo. ^{[10] [14]} Las ondas que viajan de sur a norte (emitidas por terremotos en las Islas Sandwich del Sur y recibidas en Fairbanks, Alaska ) tuvieron un diferencial que cambió en 0,4 segundos entre 1967 y 1995. Por el contrario, las ondas que viajan cerca del plano ecuatorial (por ejemplo, entre Tonga y Alemania) no mostraron cambios. ^[15]

Una de las críticas a las primeras estimaciones de superrotación fue que las incertidumbres sobre los hipocentros de los terremotos, particularmente aquellos en los registros anteriores, causaban errores en la medición de los tiempos de viaje. ^[16] Este error se puede reducir utilizando datos de terremotos de doblete . Estos son terremotos que tienen formas de onda muy similares, lo que indica que los terremotos fueron muy cercanos entre sí (a una distancia de aproximadamente un kilómetro). ^[17] Utilizando datos de doblete de las Islas Sandwich del Sur, un estudio en 2015 llegó a una nueva estimación de 0,41° por año. ^{[18] [19]}

Las observaciones sísmicas –en particular, “los cambios temporales entre las repetidas ondas sísmicas que deberían recorrer el mismo camino a través del núcleo interno”– se utilizaron para revelar una desaceleración de la rotación del núcleo alrededor de 2009. No se cree que esto tenga efectos importantes y se piensa que un ciclo de la oscilación en la rotación dura alrededor de siete décadas, coincidiendo con varias otras periodicidades geofísicas, “especialmente la duración del día y el campo magnético”. ^[1]

Song y Richards explicaron sus observaciones en términos del modelo predominante de anisotropía del núcleo interno en ese momento. Se observó que las ondas viajaban más rápido entre el norte y el sur que a lo largo del plano ecuatorial. Un modelo para el núcleo interno con anisotropía uniforme tenía una dirección de viaje más rápida inclinada en un ángulo de 10° con respecto al eje de rotación de la Tierra. ^[15] Desde entonces, el modelo para la anisotropía se ha vuelto más complejo. Los 100 kilómetros superiores son isotrópicos. Por debajo de eso, hay una anisotropía más fuerte en un hemisferio "occidental" (centrado aproximadamente en las Américas) que en un hemisferio "oriental" (la otra mitad del globo), ^{[20] [8]} y la anisotropía puede aumentar con la profundidad. También puede haber una orientación diferente de la anisotropía en un "núcleo interno más interno" (IMIC) con un radio de aproximadamente 550 kilómetros. ^[21]

Un grupo de la Universidad de Cambridge utilizó diferenciales de tiempo de viaje para estimar las longitudes de los límites de los hemisferios con una profundidad de hasta 90 kilómetros por debajo del límite del núcleo interno. Combinando esta información con una estimación de la tasa de crecimiento del núcleo interno, obtuvieron una tasa de 0,1 a 1° por millón de años. ^{[22] [8]}

Las estimaciones de la tasa de rotación basadas en diferenciales de tiempo de viaje han sido inconsistentes. Las basadas en los terremotos de las Islas Sandwich tienen las tasas más rápidas, aunque también tienen una señal más débil, con PKP(DF) apenas emergiendo por encima del ruido. Las estimaciones basadas en otras trayectorias han sido más bajas o incluso en la dirección opuesta. Según un análisis, la tasa de rotación está limitada a menos de 0,1° por año. ^[2]

En 1997, un estudio revisó los datos de las islas Sandwich y llegó a una conclusión diferente sobre el origen de los cambios en los tiempos de viaje, atribuyéndolos a heterogeneidades locales en las velocidades de las olas. La nueva estimación de la superrotación se redujo a 0,2–0,3° por año. ^[23]

La rotación del núcleo interno también se ha estimado utilizando ondas PKiKP, que se dispersan en la superficie del núcleo interno, en lugar de ondas PKP(DF). Las estimaciones realizadas con este método han oscilado entre 0,05 y 0,15° por año. ^[2]

Otra forma de limitar la rotación del núcleo interno es mediante modos normales (ondas estacionarias en la Tierra), lo que da una imagen global. Las heterogeneidades en el núcleo dividen los modos, y los cambios en las "funciones de división" a lo largo del tiempo se pueden utilizar para estimar la tasa de rotación. ^[24] Sin embargo, su precisión está limitada por la escasez de estaciones sísmicas en los años 1970 y 1980, ^[8] y la rotación inferida puede ser positiva o negativa según el modo. En general, los modos normales no pueden distinguir la tasa de rotación de cero. ^[2]

En el modelo de 1995 de Glatzmeier y Roberts, el núcleo interno gira mediante un mecanismo similar a un motor de inducción . Un viento térmico en el núcleo externo da lugar a un patrón de circulación con flujo de este a oeste cerca del límite del núcleo interno. Los campos magnéticos que pasan a través de los núcleos interno y externo proporcionan un par magnético, mientras que el par viscoso en el límite mantiene el núcleo interno y el fluido cercano a él girando a la misma velocidad en promedio. ^[25]

El modelo de 1995 no incluía el efecto del acoplamiento gravitacional entre las variaciones de densidad en el manto y la topografía en el límite del núcleo interno. Un estudio de 1996 predijo que obligaría al núcleo interno y al manto a rotar a la misma velocidad, pero un artículo de 1997 mostró que podría ocurrir una rotación relativa si el núcleo interno pudiera cambiar su forma. ^[26] Esto requeriría que la viscosidad fuera menor de 1,5 x 10 ²⁰ pascales -segundos (Pa·s). También predijo que, si la viscosidad fuera demasiado baja (menos de 3 x 10 ¹⁶ Pa·s), el núcleo interno no podría mantener su anisotropía sísmica. ^[27] Sin embargo, la fuente de la anisotropía aún no se entiende bien. Un modelo de la viscosidad del núcleo interno basado en las nutaciones de la Tierra limita la viscosidad a 2–7 × 10 ¹⁴ Pa·s. ^{[28] [8]}

Los modelos de geodinamo que tienen en cuenta el bloqueo gravitacional y los cambios en la duración del día predicen una tasa de superrotación de solo 1° por millón de años. Algunas de las inconsistencias entre las mediciones de la rotación pueden solucionarse si la tasa de rotación oscila. ^{[8] [27]}

• Problema inverso