Los relojes de alta precisión detectan diferencias de tiempo que se acumulan o se reducen a lo largo de las décadas. Un estudio publicado en Nature brinda las razones de este extraño fenómeno.
Un día terrestre dura, en promedio, 24 horas, aunque nunca conserva una duración idéntica. Los relojes de alta precisión detectan diferencias de apenas milisegundos que se acumulan o se reducen a lo largo de las décadas.
Ahora, un estudio de la Universidad de Alberta propone que esas alteraciones nacen de fuerzas gravitacionales y magnéticas dentro de la Tierra.
La investigación, publicada en Nature, vincula las oscilaciones de la duración del día con el comportamiento del núcleo interno, la esfera sólida que ocupa el centro del planeta. Según el modelo desarrollado por los físicos Huifeng Zhang y Mathieu Dumberry, esa estructura ejerce un tirón gravitacional sobre el manto, la capa rocosa que incluye la corteza terrestre.
La idea permite responder una pregunta que persistía desde hace décadas. Los científicos ya sabían que el núcleo y el manto intercambian momento angular, una magnitud que depende de la masa, la velocidad y la distribución del movimiento de un cuerpo en rotación. Sin embargo, faltaba determinar con precisión cuál era el mecanismo que regulaba ese intercambio.
Los nuevos cálculos señalan que la gravedad del núcleo interno resulta decisiva, aunque su influencia encuentra resistencia en las fuerzas electromagnéticas y en la fricción de la frontera que separa el núcleo del manto. El resultado es un sistema de compensaciones: cuando una capa interna cambia de velocidad, otra modifica su giro en sentido contrario.
Para una persona, la diferencia carece de efecto visible. Un milisegundo equivale a una milésima de segundo. Pero para la geofísica, estas variaciones aportan una ventana sobre regiones que se ubican a miles de kilómetros bajo la superficie y que no pueden estudiarse de forma directa.
La Tierra no gira como una esfera compacta con todas sus partes sujetas a la misma velocidad. Su estructura interior está formada por capas con composiciones, temperaturas y propiedades físicas diferentes. El manto, de unos 3.000 kilómetros de espesor, rodea al núcleo y sostiene la corteza sobre la que viven los seres humanos. Más abajo se encuentra el núcleo externo, una masa de metal fundido. En el centro aparece el núcleo interno, compuesto por material sólido.
El movimiento del núcleo externo líquido contribuye a generar el campo magnético de la Tierra. Los cambios de ese campo permitieron identificar, desde hace unas tres décadas, que la rotación profunda tampoco mantiene un ritmo fijo. Durante ciertos períodos, el núcleo gana velocidad; en otros, la pierde. Cada modificación obliga al resto del sistema a ajustarse.
El manto y la corteza determinan la duración exacta del día, porque son las capas ligadas a la superficie terrestre. Si el manto se desacelera de forma mínima, el planeta tarda un poco más en completar una vuelta y el día se alarga. Si acelera, la jornada se acorta.
La forma irregular del núcleo interno transmite un tirón al manto
El núcleo interno parece una esfera, pero no posee una forma perfectamente redonda. Esa irregularidad es uno de los puntos centrales de la investigación. Las partes de la Tierra con distribuciones de masa desiguales ejercen atracción gravitacional entre sí. Por eso, el núcleo interno y el manto tienden a buscar una determinada alineación.
El estudio describe esta interacción como un par gravitacional, una fuerza capaz de modificar la velocidad de rotación del manto. Cuando el núcleo interno rota de forma diferencial respecto de las capas superiores, su geometría irregular interactúa con las diferencias de masa del manto. Ese efecto genera una torsión que altera, en una proporción muy pequeña, el ritmo de giro del planeta.
La fuerza gravitacional, sin embargo, no actúa sin oposición. En el límite entre el núcleo y el manto existe un entorno de gran presión y temperatura donde intervienen el metal líquido, las rocas profundas y el campo magnético. Allí aparecen dos frenos: la resistencia electromagnética y el acoplamiento topográfico, relacionado con las irregularidades de las superficies que separan las capas.
El par de torsión en la frontera núcleo-manto limita el efecto del tirón gravitacional. La fricción y el arrastre electromagnético se oponen a la tendencia del núcleo interno a modificar el movimiento del manto. Las variaciones de la duración del día dependen, según el trabajo, de los cambios en ese equilibrio.
La relación responde al principio de conservación del momento angular. La Tierra puede redistribuir ese impulso entre sus partes, pero el total se mantiene. Cuando el núcleo se acelera, el manto compensa con una desaceleración mínima. Cuando el núcleo reduce su velocidad, el manto puede girar un poco más rápido.
Las fluctuaciones medidas alcanzan varios milisegundos en ciclos de entre 10 y 70 años. El estudio se concentró en los cambios de la duración del día registrados entre 1964 y 2019, un período que permite distinguir estas oscilaciones de otras alteraciones más breves o más lentas.
Existen, por ejemplo, cambios diarios asociados con las mareas. La atracción de la Luna y del Sol modifica de manera periódica la rotación terrestre. También influyen los vientos atmosféricos, los movimientos de masas de agua y otros fenómenos que varían según las estaciones o los años. A una escala de millones de años, la fricción de las mareas lunares provoca un alargamiento gradual de los días.
El fenómeno que examinan Zhang y Dumberry pertenece a otra categoría. Las variaciones decenales no dependen de la atmósfera ni de los océanos, sino de la transferencia de impulso entre el núcleo y el manto. El campo geomagnético y los registros sísmicos permiten reconstruir parte de ese proceso.
Las ondas sísmicas que atraviesan el interior terrestre cambian su comportamiento según los materiales y las estructuras que encuentran. Su análisis ofrece pistas sobre la rotación diferencial del núcleo interno. A la vez, las modificaciones del campo magnético permiten inferir los flujos que circulan cerca de la parte superior del núcleo externo.
Los autores combinaron ambas fuentes de información con las mediciones de duración del día. La coincidencia entre las predicciones sobre el impulso del núcleo y las oscilaciones observadas respalda la hipótesis de un origen profundo. El modelo atribuye el impulso principal al par gravitacional y asigna a las fuerzas electromagnéticas y topográficas un papel de resistencia.
El centro sólido del planeta puede deformarse en pocos años
La investigación no se limita a explicar el comportamiento de los relojes. También ofrece una imagen distinta sobre el núcleo interno. Aunque se trata de una estructura sólida, sus materiales podrían deformarse bajo el efecto de las fuerzas internas en una escala temporal más corta de la que suele asociarse con los procesos geológicos.
Los resultados sugieren un núcleo interno con baja viscosidad. La viscosidad expresa la resistencia de un material a modificar su forma ante una presión o una fuerza. En este caso, una viscosidad baja implica que la esfera central podría adaptarse a las tensiones con relativa rapidez, pese a la presión extrema que soporta.
Zhang y Dumberry estiman que esa deformación viscosa podría ocurrir en unos pocos años. El primer análisis sitúa esa respuesta cerca de una década. En ambos casos, la conclusión apunta a un interior terrestre más dinámico de lo que su apariencia sólida permite suponer.
El trabajo también aporta datos sobre la base del manto. Los investigadores consideran compatible su modelo con la presencia de acumulaciones termoquímicas de flotabilidad casi neutra, una fase mineral denominada post-perovskita con baja viscosidad y una capa conductora rica en hierro de algunos kilómetros de espesor.
Estos componentes ayudarían a explicar la intensidad de la resistencia electromagnética en el límite núcleo-manto. Una capa enriquecida en hierro conduce mejor la electricidad y refuerza la interacción entre el metal líquido del núcleo externo y las rocas profundas. La post-perovskita, por su parte, altera las propiedades mecánicas de la base del manto.
El estudio también establece un límite para la estratificación en la parte superior del núcleo externo. Esa estratificación refiere a la posibilidad de que capas de fluido con distinta densidad permanezcan separadas y condicionen la circulación del metal fundido. Conocer ese comportamiento resulta relevante para entender el origen y la evolución del campo magnético terrestre.
La duración del día se convierte así en una medida indirecta de procesos que ocurren fuera del alcance de cualquier perforación. Cada milisegundo registra, de manera casi imperceptible, la transferencia de impulso entre el manto, el núcleo externo líquido y el núcleo interno sólido.
La investigación publicada en Nature propone que las oscilaciones de décadas responden a una tensión continua entre gravedad, magnetismo y fricción. A medida que mejoren las observaciones sísmicas y geomagnéticas, esos datos permitirán ajustar la descripción de un planeta cuyo ritmo de rotación también depende de lo que sucede en su centro.
