De la Tierra salen cada segundo 44,2 teravatios (TW) de energía en forma de calor. Si pudiéramos aprovechar la mitad de ese calor, todas las necesidades energéticas humanas básicas, como transporte, alimentación y electricidad, serían satisfechas. Incluso, quedaría bastante energía para seguir alimentando los enormes servidores de Instagram, llenos de selfies y fotografías de gatitos, o las poderosas máquinas que prestan servicios a las inteligencias artificiales que hacen las tareas de millones de colegiales en el mundo.
Una fracción de ese calor mantiene fundidas las cámaras magmáticas de los grandes volcanes del planeta, que son, en últimas, responsables de la actividad eruptiva que vemos todos los años en la Tierra.
Foto: @elijah85/X.
Estos volcanes devuelven a la atmósfera millones de toneladas de CO2 y agua que de otra manera quedarían enterrados en las entrañas del planeta, y que llegan allí, principalmente por efecto de la “subducción”, es decir, por el deslizamiento del borde de una placa tectónica de la corteza terrestre por debajo del borde de otra. El CO2 devuelto a la atmósfera por la actividad volcánica participa de un invisible mecanismo de regulación del clima de nuestro planeta que hace de él, en buena parte, el lugar habitable que ahora es.
Las mismas placas tectónicas que, por lo dicho antes, son en buena parte responsables de que estos procesos se mantengan en marcha, existen y se mueven gracias a la energía provista por el interior ardiente de nuestro planeta.
El campo magnético de la Tierra, que protege nuestra atmósfera de la acción erosiva del viento solar, un río permanente de partículas que empelotó a Marte hace miles de millones de años dejando su superficie casi en el vacío espacial, nace a más de 3.000 kilómetros en las profundidades infernales del planeta. El campo recibe su energía del flujo permanente de materia y calor que se produce en el hirviente centro de la Tierra.
Sin una eficiente “batería” capaz de proveer por miles de millones de años la energía para el horno interior de la Tierra, nuestro planeta no sería, ni de lejos, el supuesto paraíso que conocemos.
Las baterías de la Tierra
¿Cuál es la fuente de la energía que sale del interior de nuestro planeta?, ¿de qué están hechas las «baterías» de la Tierra?
La fuente de energía que mantiene la Tierra calentita por dentro ha sido materia de intenso debate por muchos años en la comunidad geofísica. Dos tipos de procesos físicos se pelean (o quizás colaboran) el primer lugar en la carrera por producir las ingentes cantidades de energía requeridas para la vitalidad geológica de la Tierra.
En una esquina está el que es, por sí mismo, un hecho sorprendente. Una buena parte del calor interior de la Tierra viene directamente de los cientos de miles de impactos que nuestro planeta recibió durante el proceso de ensamblaje hace más de 4.500 millones de años. Este calor es energía cinética y gravitacional «fósil», atrapada por eones (miles de millones de años) en el centro del planeta. Vivimos, de este modo, en una bola de roca caliente que todavía se está enfriando.
En la otra esquina está la física nuclear, no menos sorprendente para este caso. Enterrados entre el silicio, el magnesio y el hierro del manto de la Tierra y de su costra superficial (la litósfera que llaman) residen no menos de 400 billones de toneladas de elementos radiactivos. Los hay de todos los “sabores”. Sin embargo, los que contribuyen en mayor medida a calentar nuestro planeta son el uranio-238, el torio-232 y el potasio-40. Si pudiéramos extraer esos elementos del interior de la Tierra, apilaríamos una masa sólida y radioactiva del tamaño de los Alpes. Estas son las baterías nucleares de la Tierra.
La lenta transmutación de estos elementos deposita calor en la roca circundante. Por miles de millones de años, estos átomos radiactivos han producido energía suficiente para que un planeta relativamente anciano mantenga calor suficiente para que volcanes y placas tectónicas móviles sigan haciendo de las suyas.
Impactos antiguos y elementos radiactivos: ¿cuál de los dos procesos es el que aporta la mayor cantidad de energía?
Por mucho tiempo profesionales de la geofísica habían pensado que ambos procesos podrían ir casi por partes casi iguales para alimentar el horno interior de la Tierra. Pero, ¿cómo saberlo?
Tenemos que hablar de antineutrinos
Cada vez que un núcleo de uranio-238 se transforma, por una cadena de transmutaciones nucleares muy compleja, en un núcleo de plomo-208, se producen un total de 6 antineutrinos.
¿Anti qué? Vamos por partes.
Los neutrinos son partículas elementales fantasmagóricas producidas por millones en todos los lugares del universo, especialmente en las estrellas y en el interior de los planetas.
Un neutrino pesa cientos de miles de veces menos que la partícula más ligera que conocemos en la vida cotidiana, los electrones. Por esta razón, la inmensa mayoría de los neutrinos viajan casi a la velocidad de la luz. Como su nombre lo indica, los neutrinos no tienen carga eléctrica; tampoco pueden atraer o ser atraídos por los núcleos atómicos. El resultado de todas estas peculiares propiedades es que la mayoría de los neutrinos del universo, incluyendo los que produce la Tierra, viajan por el espacio sin enterarse de que existe el resto de la materia.
Los antineutrinos, que son las “antipartículas” de los neutrinos, especialmente aquellos producidos por el uranio-238, son creados cuando la fuerza nuclear débil -una de las fuerzas más extrañas que existen en la naturaleza y que solo tiene una intensidad significativa dentro de los núcleos atómicos- cambia espontáneamente la personalidad de uno de los quarks que están en el interior de un neutrón. Es, justamente, ese cambio de personalidad nuclear lo que se manifiesta como la desintegración radiactiva.
Se estima que más de 3 millones de antineutrinos salen cada segundo por cada centímetro cuadrado de la superficie de la Tierra provenientes de su interior. Deténgase a pensar en esto un momento. Estire el brazo. Mire un momento la uña en la punta de uno de sus dedos. Por allí pasaron, hace un segundo, millones de antineutrinos invisibles.
El mundo es un lugar muy raro
Aunque los antineutrinos son muy esquivos, una que otra vez un núcleo atómico, incluso uno de tu cuerpo, puede atrapar uno de ellos y en el proceso producir partículas muy veloces.
El fenómeno, sin embargo, es muy improbable. En el lapso de tu vida, incluso con miles de millones de neutrinos atravesándote cada segundo, podrías capturar solo 1 o 2 de ellos. En toda tu vida. Aunque, la verdad, nunca lo notarías, por ejemplo con un cosquilleo o algo así. Recuerda que estamos hablando de partículas elementales.
Sin embargo, si reúnes en un mismo lugar suficientes núcleos atómicos y si estos además forman los átomos de una sustancia transparente a través de la cuál podamos ver las partículas veloces producidas por el choque de los antineutrinos contra la materia, entonces, solo entonces, tendrá un pequeño chance de ver antineutrinos.
Esto es precisamente lo que hace Borexino, un tanque redondo lleno de decenas de toneladas de agua y de una sustancia muy sensible (líquido centelleador) que está enterrado a miles de kilómetros debajo de las rocas del Gran Sasso en los Apeninos Italianos. Cada que un antineutrino tiene la suerte de desencadenar un destello en el interior del tanque, miles de sofisticadas “cámaras”, también llamadas tubos fotomultiplicadores o PMT por su sigla en inglés, captan el evento y lo registran indicando la cantidad de energía que traía el neutrino.
La mayoría de los antineutrinos detectados por Borexino, sin embargo, no vienen del Sol o de la Tierra. En realidad los produce nuestra especie. ¡Así como lo oyen! Los humanos producimos abundantes antineutrinos en nuestros reactores nucleares causando una especie de ruido de partículas que podría impedirnos detectar fuentes naturales. Sin embargo, los antineutrinos de los reactores tienen energías relativamente altas. Borexino, no obstante, es también sensible a neutrinos y antineutrinos de energías bajas. Esto lo hace especialmente útil para detectar los neutrinos más abundantes producidos por el Sol, pero también para los antineutrinos procedentes del interior de nuestro planeta.
A lo largo de casi 20 años, el equipo científico de Borexino ha contado el número de antineutrinos que atravesaron el tanque procedentes del piso, es decir, o bien del interior de la Tierra o de reactores nucleares lejanos.
Alrededor de 60 antineutrinos fueron plenamente identificados.
Léase bien: 60 antineutrinos en 20 años ¡Un premio a la paciencia científica!
Las baterías nucleares de la Tierra
Los resultados de Borexino han mostrado, por un lado, lo que esperábamos: hay suficiente uranio y torio en el manto y la litósfera terrestre para producir una cantidad suficiente de antineutrinos que sea detectable por encima del ruido que producen nuestros reactores nucleares (pico azul en la figura anterior).
Crédito: Borexino Collaboration.
Por el otro, y como la pieza de información más importante para nuestro caso, el número de neutrinos detectados por Borexino es suficientemente grande para demostrar que cerca de un 78 % de la energía proveniente del interior, en realidad es producida por la desintegración de Uranio-238, Torio-232 y Potasio-40 (que no está incluído en este estudio) en la litósfera y el manto de la Tierra.
Literalmente, la Tierra es un planeta con baterías nucleares.
¿Podría entonces nuestro planeta explotar algún día como una versión gigante de la bomba de Hiroshima? O tal vez, ¿será la poca agua potable que nos quede en unas décadas contaminada por los restos de esta batería radioactiva?
¡Nada de eso!
Si bien algunos piensan que no podemos descartar que «reactores» nucleares naturales (es decir lugares donde las transmutaciones nucleares ocurren muy rápidamente) podrían existir aquí y allá en el interior de la Tierra, ninguno de los procesos mencionados aquí podría salirse de control y fundir a la Tierra en una orgía térmica como la que ocurre en las bombas nucleares.
Sustancias radioactivas naturales abundan a nuestro alrededor. El agua que bebemos las contiene. Las rocas en los muros, la arena de la playa.
La vida en la Tierra ha convivido de forma tranquila con esta radiactividad ambiental. Incluso la evolución biológica de la Tierra se debe en parte a la exposición a esa radiactividad ambiental, ya que parte de los cambios genéticos que sufren los organismos vivos y que han creado la enorme diversidad biológica que observamos, podrían comenzar con pequeñas mutaciones en la información genética en nuestras células.
De modo que la próxima vez que piense en la amenaza ambiental que parece representar el uso de la energía nuclear, recuerde que la Tierra misma tiene sus propias «energizers» de uranio y torio.
1 Una versión anterior de esta columna apareció en el año 2015 en el espacio de SciLogs de la desaparecida revista Investigación y Ciencia. Por razones desconocidas, la editorial Springer deshabilitó el sitio web de la revista que hospedaba más de 10.000 artículos divulgativos en ciencias escritos en castellano, así como más de 1.000 columnas científicas como está, que desaparecieron de las redes sin dejar rastro. Esta es una versión revisada, corregida, ampliada y actualizada de la columna original.
2 Podrían ser también 45,2 o 43,2 (el error estándar es de 1 TW). Para estimativos de la cantidad total de energía que fluye en nuestro planeta ver Kren, Andrew C., Peter Pilewskie, and Odele Coddington. «Where does Earth’s atmosphere get its energy?.» Journal of Space Weather and Space Climate 7 (2017): A10. Disponible aquí: https://www.swsc-journal.org/articles/swsc/full_html/2017/01/swsc160018/swsc160018.html.
3Al ciclo del CO2 descrito en el texto, que se sabe constituye el mecanismo básico de la regulación de la temperatura en la Tierra, se le debe sumar además los procesos biológicos y antropogénicos que contribuyen también a las emisiones totales anuales de CO2. Algunos investigadores han incluso considerado que la vida misma podría ayudar a mantener el control del ciclo del CO2 haciendo la Tierra habitable en un increíble círculo virtuoso. Por supuesto, nuestras actuales emisiones desreguladas de CO2 también podrían empujar a nuestro planeta a un estado inhabitable. Para reflexiones sobre el rol de la vida en la regulación del ciclo de CO2 ver Zuluaga, J. I., Salazar, J. F., Cuartas-Restrepo, P., & Poveda, G. (2014). The habitable zone of inhabited planets. Biogeosciences Discussions, 11(6), 8443-8483. Disponible en: https://bg.copernicus.org/preprints/bg-2014-246/.
4 Un quark es una partícula elemental que compone otras partículas subatómicas.
5 Para más información sobre Borexino, este curioso cazador de pispirispis, lean el artículo de Wikipedia sobre el instrumento https://es.wikipedia.org/wiki/Borexino.
6 El pequeño número de antineutrinos detectados por Borexino en más de 17 años demuestra lo increíblemente improbable que es el choque de un antineutrino contra un núcleo atómico. En el detector existen en total cerca de 1 millón de cuatrillones de protones. De ellos solo un poco más de 50 han recibido el golpe de un antineutrino. Esto corresponde a una probabilidad de 3×10-30/protón/año de que haya una colisión.
7 El artículo más importante mostrando el análisis de casi 20 años de detección de geoneutrinos es: Agostini, M., Altenmüller, K., Appel, S., Atroshchenko, V., Bagdasarian, Z., Basilico, D., … & (Borexino Collaboration). (2020). Comprehensive geoneutrino analysis with Borexino. Physical Review D, 101(1), 012009, que está disponible en línea en este enlace: https://tinyurl.com/ekth9c9n.
