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La actividad tectónica de la Tierra, crucial para la vida

La actividad tectónica de la Tierra puede ser crucial para la vida - y rara en nuestra galaxia

Un nuevo estudio considera que la tectónica de placas puede ser difícil de sostener en los exoplanetas

La actividad tectónica de la Tierra, crucial para la vida
La concepción de este artista muestra 55 Cancri e-un mundo que podría ser invadido por el flujo de lava. Crédito de la imagen: ESA / Hubble, M. Kornmesser

Por Shannon Hall, para Scientific American Julio 20 de 2017


Nuestro planeta está en constante flujo. Placas tectónicas —las grandes placas de roca que dividen la corteza de la Tierra para que parezca una cáscara de huevo agrietada—se mueven de un lado a otro en arrebatos que cambian continuamente nuestro planeta— y posiblemente fomentan la vida.

Estas placas se precipitan unas sobre otras, construyendo montañas. Se deshacen, dando lugar a nuevos océanos que pueden crecer durante cientos de millones de años. Deslizan unos a otros, provocando terremotos truenos. Y se deslizan uno bajo el otro en un proceso llamado subducción, deslizándose profundamente en las entrañas del planeta y produciendo volcanes que arrojan gases a la atmósfera. Y no sólo la Tierra está viva, sino que es un vaso para la vida. Debido a que es el único planeta conocido que aloja tanto la tectónica de placas —que sigue mezclando placas tectónicas— como la vida, muchos científicos piensan que los dos podrían estar relacionados. De hecho, algunos investigadores sostienen que las placas cambiantes, que tienen la capacidad de ayudar a regular la temperatura de un planeta durante miles de millones de años, son un ingrediente crucial para la vida.

Esta conexión plantea la tentadora posibilidad de que si los científicos pudieran encontrar exoplanetas que temblaran y retumbaran, podrían ser capaces de encontrar vida más allá de nuestro Pale Blue Dot. Así, Caimán Unterborn, un astrónomo de la Universidad Estatal de Arizona, se propuso determinar la probabilidad de que los exoplanetas distantes experimenten tectónica de placas. En un artículo publicado el 3 de julio al servidor de preimpresión arXiv y actualmente sometido a revisión por pares, él y sus colegas encontraron que la mayoría de los exoplanetas probablemente no pueden sostener la tectónica de placas durante largos períodos de tiempo. Sus resultados son todavía inciertos porque los científicos no entienden completamente cómo la tectónica de placas comenzó en la Tierra (y mucho menos cómo lo harían con otros planetas), pero sugieren que incluso si el proceso comienza, puede que no dure. Eso significa que la Tierra no sólo es el único planeta que alberga placas en movimiento en el sistema solar (aunque algunas pruebas recientes sugieren que Mercurio podría también), también podría ser uno de un número bajo de tales planetas a través de la Vía Láctea. "Si necesitas tectónica de placas (para la vida), este documento suena como una mala noticia", dice John Armstrong, un astrónomo de la Universidad Estatal de Weber que no participó en el estudio. Aún así, los astrónomos sospechan que hasta 40 mil millones de planetas potencialmente habitables de la Tierra empotran en la galaxia. Incluso si sólo un tercio de estos planetas pueden sostener la placa tectónica (como sugiere el estudio de Unterborn), esos aproximadamente 13 mil millones de planetas, dice Armstrong, son "todavía muchos mundos habitables posibles".

Pero ¿qué tan esencial es la tectónica de placas para la vida? Se pueden encontrar sugerencias de la historia de nuestro propio planeta. Hace unos 2.500 millones de años el sol era tan frío que los océanos líquidos de la Tierra debían haberse congelado en un estado parecido a una bola de nieve—pero no lo eran. Los científicos piensan que la tectónica de placas, que actúa como un termostato global, podría haber sido nuestro salvador al crear volcanes que arrojaron dióxido de carbono a la atmósfera, ayudándolo a retener más calor. Luego, a medida que el sol crecía y se calentaba, la lluvia limpiaba el dióxido de carbono de la atmósfera y la tectónica de placas lo subducía posteriormente en el manto de la Tierra (la capa de roca caliente por encima del núcleo). Es este ciclo, que actúa sobre escalas de tiempo de millones de años, que ayuda a mantener la temperatura de la Tierra lo suficientemente estable como para soportar la vida.

Sin embargo, el ejemplo de la Tierra no prueba que la tectónica de placas es un requisito para la vida. Después de todo, los planetas pueden ser geológicamente activos sin tectónica de placas. Solo eche un vistazo a Marte, que cuenta con el volcán más grande del sistema solar. Sin embargo, ese volcán ya no resuena. De hecho, la mayoría de los planetas del sistema solar (e incluso los planetas enanos y las lunas) que antes eran geológicamente activos ahora están tranquilos. Sin tectónica de placas, el volcanismo declina rápidamente (con algunas notables excepciones no tectónicas como Io de Júpiter y Encelado de Saturno). Como tal, los volcanes numerosos pero extintos de Marte no tienen la capacidad de arrojar el dióxido de carbono en la atmósfera, dejando el planeta rojo absolutamente frío hoy. Tales ejemplos sugieren que la tectónica de placas —especialmente la tectónica de placas de larga duración— es el mejor método para regular la temperatura de un planeta y, por lo tanto, es un ingrediente útil en el cóctel de la vida.

PLACAS DESLIZANTES

El último estudio parece contradecir algunas investigaciones previas sobre si los exoplanetas podrían temblar como la Tierra. En 2007, la científica planetaria Diana Valencia, entonces en la Universidad de Harvard, llegó a la conclusión de que las superterráneas (planetas rocosos más grandes que los nuestros) son tan probables para albergar la placa tectónica, es prácticamente inevitable. Debido a que los planetas más masivos que la Tierra retendrían mucho más calor interno de su formación inicial, y debido a que el calor impulsa la tectónica de placas (a través de la cinta transportadora de hundimiento y roca ascendente dentro del manto), la actividad de la placa debería prolongarse en tales planetas. El problema es que el estudio de Valencia (y muchos estudios que llegaron después) analizó sólo un parámetro: el tamaño de un planeta. El estudio de Unterborn es uno de los primeros en abordar la tectónica de placas basada en la composición de un planeta.

Para llevar a cabo este análisis, Unterborn y sus colegas necesitaban determinar la composición química de un exoplanet. Aunque los astrónomos actualmente pueden descifrar los elementos dentro de la atmósfera de un exoplaneta, no hay manera de profundizar en el interior rocoso de un exoplaneta. Así que Unterborn y su equipo se volvieron hacia las estrellas anfitrionas de los planetas—aun. Debido a que las estrellas y sus planetas se construyen a partir del mismo disco giratorio de polvo y gas, tienden a estar hechos de la misma materia. Los investigadores observaron cerca de 1.500 estrellas (incluyendo 123 estrellas observadas con el telescopio espacial Kepler que los astrónomos saben que tienen orbitales exoplanetas) y luego usaron modelos informáticos para descubrir cómo las rocas de estas variadas composiciones reaccionarían a las altas temperaturas interiores y las presiones formadas en un planeta .

Una vez que tuvieron una idea de lo que el manto y la corteza de un exoplaneta podría parecer, geoquímicamente hablando, los científicos fueron capaces de determinar si la corteza del exoplaneta sería lo suficientemente densa como para hundirse en el manto, al igual que las placas oceánicas de la Tierra en lugares como Cascadia Zona de subducción— la cadena de volcanes de 1.000 kilómetros de longitud de América del Norte, construida como una placa, toma una inmersión profunda debajo de otra. Hacer el cálculo involucró modelado riguroso: A medida que las presiones y temperaturas se elevan durante el descenso de una placa, los átomos en la placa sufren una reorganización que hace que la placa sea más densa. Si la placa permanece más densa que el manto circundante, la placa seguirá hundiéndose. Si ese es el caso, la tectónica de placas podría prosperar durante miles de millones de años. Pero si no lo hace y la placa se detiene, la tectónica de placas se cerrará, lo que invalida las posibilidades de la vida.

Los resultados pintan un resultado bastante deprimente en cuanto a la habitabilidad se refiere: al menos dos tercios de los planetas simulados construir una corteza que es demasiado boyante para hundirse. "Si la subducción fuera a suceder, y (la placa) iban a bajar, simplemente volvería a subir", dice Unterborn. "Es como tratar de empujar un tubo interno bajo el agua". Si estas placas están en movimiento, podrían estrellarse entre sí y se arrugarán hacia arriba para formar cadenas montañosas tan altas como el Himalaya, dice Unterborn. Pero una placa nunca subduct debajo de otro para quitar el exceso de dióxido de carbono o formar los volcanes que vomitan más dióxido de carbono en la atmósfera. Como tal, el planeta no será capaz de regular su propia temperatura y fácilmente se convertirá en un mundo que se asemeja a una bola de nieve o una sauna.

EL NUEVO CAMPO DE EXOGEOLOGÍA

Los resultados ponen de relieve que la habitabilidad de un planeta no puede ser definida sólo por la zona Goldilocks, ese punto dulce en un sistema planetario donde la distancia orbital de un planeta desde su estrella no lo mantiene demasiado caliente ni demasiado frío. Tampoco la densidad solo puede determinar lo que cuenta como un planeta "semejante a la Tierra". "La densidad no es destino cuando se trata de planetas", dice Unterborn. "La Tierra es mucho más que una masa de una Tierra, un planeta de radio Tierra" en la zona habitable del Sol. Basta pensar en 2.500 millones de años: la Tierra no habría sido considerada habitable para los astrónomos alienígenas a menos que tomaron en cuenta su geología."

Bradford Foley, un geólogo de la Universidad Estatal de Pensilvania que no participó en el estudio, está de acuerdo con el punto final del documento —que la mayoría de los exoplanetas rocosos probablemente no pueden albergar tectónica de placas—, pero argumenta que detalles más finos, como el porcentaje exacto de Esos planetas, todavía no se pueden fijar. "Yo tomaría todo lo que está más allá de la visión general con un grano de sal porque hay incertidumbres encerradas allí que están sujetas a cambios a medida que salen más estudios", dijo.

Una de esas incertidumbres, señala Foley, es que los geólogos todavía discuten sobre cómo la tectónica de placas se encendió en la Tierra y lo que sigue impulsándola hoy. La cuestión es que incluso si una placa es lo suficientemente densa como para hundirse en el manto, la litosfera —la fuerte y rígida capa exterior del planeta—tiene que romperse primero. Pero lo que hace que la litosfera se agriete es muy debatido en el campo. Unterborn esquivó esta complicación buscando planetas que pudieran ser capaces de someterse a la tectónica de placas durante miles de millones de años, si comenzara en el primer lugar. Foley está de acuerdo en que es una solución inteligente y Unterborn argumenta que es más interesante desde un punto de vista científico porque es más probable que encontremos la vida donde ha evolucionado a lo largo de miles de millones de años. Pero la asunción tectónica de placas mágicamente comienza muestra que incluso el cóctel elemental adecuado no garantiza una superficie cambiante y retumbante. Sin embargo, Unterborn argumenta que maximiza nuestras posibilidades de encontrar tectónica de placas y por lo tanto vida.

Unterborn considera la obra como un paso adelante en un nuevo campo —donde la geología se encuentra con la astronomía en una disciplina que se podría llamar exogeología— que comenzó hace apenas 10 años con el periódico valenciano. La semana pasada, Foley, Unterborn y Driscoll (quienes coinciden en que la exogeología será un "tema candente en el futuro" presentaron una propuesta al Instituto de Astrobiología de la NASA para evaluar cómo los materiales de diferentes composiciones reaccionan bajo altas presiones y temperaturas. Mientras que el estudio de Unterborn se basó en cálculos teóricos, el nuevo equipo quisiera sintetizar estas rocas en el laboratorio y someterlas físicamente a esas condiciones. Eso les permitiría pintar un cuadro más preciso e incluso explorar cómo el cambio de la composición podría romper la litosfera, el otro criterio importante para la puesta en marcha de la tectónica de placas. "Creo que definitivamente es el futuro", dice Unterborn. "Me alegro de estar a la vanguardia."



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