Flujo de calor interno de la Tierra y Marte

La formación de los planetas acumuló una energía procedente de la energía cinética de los planetesimales que los formaron y que por tanto es proporcional a su masa. Sus choques inelásticos acumularon el calor primordial de los planetas. A ello se añade el calor desprendido por los materiales radioactivos. Ello provoca que la temperatura aumente hacia el interior del planeta. Los planetas a lo largo de su historia geológica pierde energía de forma proporcional a su superficie. El tiempo que mantienen su actividad es por tanto directamente proporcional al radio. Cuerpos pequeños como la Luna son actualmente inactivos o geológicamente muertos frente a la Tierra. Por eso es tan extraña la actividad de Europa o Encélado que se debe a fuerzas de marea causados por el planeta entorno al que giran.

Relación entre la superficie y el volumen de los planetas terrestres al que se ha añadido la Luna y Ceres, y que determina la persistencia de la actividad geológica en un cuerpo. La separación entre la actividad y la inactividad se halla en log (S/V)=-3,1 para el Sistema Solar. Para sistemas planetarios más jóvenes tendrían su limite en valores más altos y sistemas más viejos necesitarían un mayor radio para mantener su actividad.

En la escala vertical esta el logaritmo decimal de la relación entre la superficie S y el volumen V del cuerpo es decir log 3/R donde el radio se expresa en Km. El límite entre cuerpos activos e inactivos para el Sistema Solar con 4.500 millones de años de edad (4,5 Ga) donde 1Ga=10⁹ años está en log (S/V)=-3,1 lo que supone un radio de 3.776 km. Marte con 3.397 Km. está ligeramente por debajo, de ahí su poco nivel de actividad actual. Pero el tamaño no lo es todo y el gráfico tiene sus excepciones: Titán con 2.575 km. tiene actividad y una atmósfera 1,5 la presión terrestre. Ío con 1.822 km. tiene los volcanes más activos del Sistema Solar. Europa con 1.561 km. y Ganimedes con 1.317 Km. pueden tener un océano líquido bajo su superficie helada. Estos cuerpos más pequeños que el límite de actividad, la tienen fruto  de las fuerzas de marea. El océano de Ganimedes está entre dos placas de hielo y posiblemente no albergue vida. El océano de Europa está entre una placa de hielo superficial de grosor desconocido y en contacto con roca en su fondo. No hay constancia clara de que haya fumarolas en dicho océano ni contacto de dicho océano con la superficie a través de grietas. La superficie de hielo esta surcada de vetas rojizas y de unos bloques de hielo que se deslizan sobre una base de hielo más fluida. Podría haber vida pero es difícil que las sondas europeas norteamericanas de la próxima década la descubran en sus encuentros cercanos que tienen que coincidir con la emisión de unos géisers de cuya existencia sólo hay evidencias circunstanciales.

Imagen de Europa tomada por la sonda Galileo.

Pero el caso más paradigmático es Encélado que con sólo 252 km. de radio tiene como Europa un océano subterráneo en contacto con roca en su fondo. Tiene fumarolas y cerca del polo sur unas grietas que dan lugar a un centenar de géisers analizados por la sonda Cassini. Dicha sonda descubrió estas emisiones y no estaba preparada para detectar moléculas orgánicas. Estos géisers alimentan el anillo E de Saturno y podrían ser analizados fácilmente por una sonda futura para la que la fecha  más cercana es la de los años cuarenta. Demasiado tarde para mí. 

Imagen de los géisers de Encélado logradas por la sonda Cassini. La producción de energía por las fuerzas de marea supera en un factor diez la teoría. Produce una energía de unos 16 MW (1 megavatios=10⁶ watios)

Pero volvamos a lo inmediato:

El flujo de calor o energía emitida por unidad de tiempo y área sólo se ha medido en el caso de la Tierra y es de unos 92 mW/m²=0,092W/m². La corteza oceánica emite de media 101 mW/m² y la corteza continental sólo 65 mW/m². Ello supone que el flujo de energía de la Tierra sería de 47 TW (1 terawats=10¹² wats)

Vemos que el flujo máximo ocurre en las dorsales oceánicas con hasta 150 mW/m² mientras el interior de los continentes son zonas muy estables.

A pesar de la gran cantidad de sondas enviadas a la superficie de Marte desde 1976 ninguna a medido los terremotos o el flujo de calor por lo que el interior de Marte es una verdadera tierra incógnita. No obstante el estudio del flujo de calor actual de Marte puede calcularse por métodos indirectos, basados ​​principalmente en la relación entre el estado térmico de la litosfera y su fuerza mecánica, o en modelos teóricos de evolución interna. A ello se dedica el trabajo de Laura Parro (@LauraMParro), Alberto  Jiménez-Díaz, Federico Mansilla  (@FedeMansillaN) y Javier Ruiz. Fundamentan su modelo de cálculo de dicho flujo de calor en la producción de calor radiogénico de la corteza y el manto, en la escala de las variaciones del flujo de calor derivadas del espesor de la corteza y las variaciones topográficas, y en flujo de calor derivado del espesor elástico efectivo de la litosfera debajo de la Región Polar del Norte. Su modelo encuentra flujos de calor que varían entre 14 y 25 mW/m², con un valor promedio de 19 mW/m². Se obtienen resultados similares (aunque aproximadamente un diez por ciento más altos) si utilizamos el flujo de calor en función de la fuerza litosférica de la región del Polo Sur. El flujo de energía en Marte es de 2,75 TW.

Esta imagen del flujo calculado es bastante similar al que da el espesor de la corteza marciana. A diferencia de la Tierra no hay dorsales oceánicas. Es más el fondo del supuesto Océano Boreal es una zona continental si atendemos a su bajo flujo.

La nave Mars InSight tratará de cambiar esto. Su instrumento HP3 (Heat Flow and Physical Properties Probe) una sonda térmica que penetrará en el suelo marciano hasta 5 metros, medirá las temperaturas subterráneas y la conductibilidad térmica del suelo marciano para ver cuál es el flujo de calor que fluye desde el interior a la superficie, permitiendo contrastar el modelo con la realidad lo que permitirá su mejora. Este flujo interior es relativamente contante y en promedio unas 3.500 veces inferior al flujo de energía procedente del Sol que es muy variable dependiendo de la estación y latitud. Por ejemplo para el Opportunity cerca del ecuador en verano se registra un máximo de flujo solar de 16 MJ/m² al día (1MJ=10⁶J) mientras el flujo interno es 1684 J/m². Ello supone que el flujo solar es 9.500 veces mayor que el interior en este caso.

Sólo los planetas gigantes tienen un flujo de energía interior superior al procedente del Sol debido a otra fuente interna. Los interiores de Júpiter y Saturno están calientes en el rango de los 20.000 a 30.000 ºK. A estas temperaturas, el hidrógeno y el helio son líquidos metálicos mezclados por convección. Los modelos del enfriamiento de Júpiter a lo largo de la historia del Sistema Solar dan cuenta que el planeta está irradiando hoy por encima de la que absorbe del Sol. Modelos semejantes, aplicados a Saturno, son incapaces de explicar aproximadamente un tercio de la potencia que irradia. Al parecer, Saturno tiene una fuente de energía interna no incluida en los cálculos y que está ausente en Júpiter. Hacia la mitad del decenio de 1970, Salpeter y Stevenson propusieron una explicación que luego fue confirmada por los Voyager. Un planeta que incorpora una mezcla de hidrógeno y helio tiene dos clases de energía: calorífica y gravitatoria. Si la proporción de mezcla es constante en toda la mezcla, las dos clases de energía se liberan juntas en proporciones constantes. Esto es lo que ocurre en Júpiter. Pero si cambia la proporción de mezcla (por ejemplo si el helio cae a través del hidrógeno), se libera una cantidad adicional de energía gravitatoria. Cabe suponer ese proceso en Saturno, ya que el planeta se ha enfriado hasta el punto en que el helio está precipitando en la cima de la zona de hidrógeno metálico.