En la superficie del planeta apenas hay trazas de hidrógeno libre más allá del que forma parte del agua y de los hidrocarburos, a pesar de ser el elemento más abundante del universo. Esta aparente contradicción ha intrigado durante décadas a la comunidad científica, también en Europa y España, donde varios grupos siguen de cerca los avances en geociencias profundas.
Una serie de trabajos recientes publicados en revistas como Nature Geoscience y Nature Communications apunta ahora a una posible solución a este rompecabezas: el interior del planeta podría esconder una cantidad de hidrógeno muy superior a la que contienen todos los océanos, concentrada en el núcleo metálico de la Tierra. Lejos de ser una simple curiosidad, este hallazgo cambia la forma en que se entiende el origen del agua y la evolución de los planetas rocosos.
Un núcleo demasiado ligero y el misterio de los elementos volátiles
Los modelos basados en meteoritos y medidas de inercia y rotación indican que la Tierra está formada, en lo esencial, por silicatos en el manto y corteza, y una aleación metálica en el núcleo. Sin embargo, la densidad calculada para un núcleo compuesto solo de hierro y níquel no encaja del todo con las observaciones sísmicas: es ligeramente más baja de lo esperado.
Esa discrepancia se interpreta desde hace años como la huella de elementos ligeros disueltos en el núcleo, entre ellos carbono, oxígeno, silicio y, muy probablemente, hidrógeno. El problema ha sido siempre el mismo: cuantificar con precisión cuánto hidrógeno puede alojar el hierro sometido a presiones de millones de atmósferas y temperaturas que rondan los 5.000 a 5.500 grados Celsius.
Estudios previos, a menudo basados en difracción de rayos X, trataban de inferir la cantidad de hidrógeno midiendo cuánto se expandía la estructura cristalina del hierro al incorporar este elemento. Pero estas aproximaciones asumían que otros componentes, como el silicio y el oxígeno presentes en el núcleo, no alteraban significativamente la red cristalina, algo que los nuevos resultados ponen seriamente en duda.
Geofísicos consultados por centros europeos, como el Instituto Andaluz de Ciencias de la Tierra (IACT-CSIC), recuerdan que tampoco se conoce bien cuánta agua y cuánto hidrógeno albergan el manto y el núcleo en conjunto, ni cómo se comunican esos reservorios profundos con la superficie y la atmósfera. Este vacío de conocimiento es clave para explicar por qué la Tierra mantiene océanos líquidos y tectónica de placas, mientras que planetas como Marte carecen hoy de agua superficial y actividad interna comparable.
Recrear el núcleo en el laboratorio: yunques de diamante y láseres
Para avanzar en esta cuestión, equipos de investigación de la Universidad de Pekín y la Escuela Politécnica Federal de Zúrich (ETH Zürich) han optado por una estrategia directa: reproducir, a escala microscópica, las condiciones extremas del núcleo terrestre y “contar” los átomos uno a uno.
En sus experimentos, los científicos encapsulan una minúscula lámina de hierro en un vidrio de silicato hidratado, que hace las veces de magma primitivo rico en agua. Este conjunto se introduce en una celda de yunque de diamante, un dispositivo que concentra enormes fuerzas en un área diminuta: dos puntas de diamante se enfrentan y comprimen la muestra hasta alcanzar presiones del orden de 111 gigapascales, es decir, unos tres millones de veces la presión atmosférica de la superficie.
Al mismo tiempo, la muestra se calienta con potentes láseres hasta aproximarse a las temperaturas estimadas para el interior del planeta, en torno a 5.100 kelvin (unos 4.830 °C). La combinación de presión y calor hace que el vidrio de silicato se funda y libere hidrógeno, oxígeno y silicio, que pueden disolverse en la fase metálica de hierro.
Un reto añadido es el tamaño de las muestras: para generar presiones tan extremas, el área sometida a compresión debe ser diminuta, lo que obliga a trabajar con volúmenes microscópicos. Esa escala reduce drásticamente la señal disponible y complica la cuantificación exacta del hidrógeno, un elemento ya de por sí esquivo por su ligereza y tamaño atómico.
Tras someter el sistema a estas condiciones, los investigadores reducen las muestras metálicas a pequeñas “agujas” con puntas de apenas 20 nanómetros de diámetro. Es sobre esas microestructuras donde aplican la técnica analítica que marca la diferencia frente a intentos anteriores.
Tomografía de sonda atómica: el mapa del hidrógeno a escala nanométrica
La herramienta clave utilizada por el equipo de Dongyang Huang es la tomografía de sonda atómica (APT, por sus siglas en inglés). Este método permite reconstruir en tres dimensiones la composición de una muestra con resolución nanométrica, identificando prácticamente todos los elementos de la tabla periódica presentes en ella.
En la práctica, las agujas metálicas se someten a un alto voltaje controlado con precisión. El campo eléctrico provoca que los átomos situados en la superficie se ionicen y se desprendan uno a uno, en un proceso conocido como evaporación de campo. Un detector registra el tiempo de vuelo y la posición de impacto de cada ion, lo que permite reconstruir su identidad química y su localización original en el material.
Gracias a este procedimiento, los investigadores pudieron observar cómo el hidrógeno entra desde el silicato fundido hacia el hierro, acompañado de silicio y oxígeno, y cómo estos elementos se integran en la estructura cristalina del metal. La APT también permitió detectar especies como iones SiH+, que ayudan a distinguir el hidrógeno incorporado durante el experimento de posibles contaminaciones externas.
Un resultado importante de estos análisis es que, bajo las condiciones recreadas, el silicio, el oxígeno y el hidrógeno se disuelven de forma simultánea en el hierro, modificando su red cristalina de maneras que no se habían tenido en cuenta en estudios basados solo en difracción de rayos X. Este comportamiento conjunto obliga a revisar las estimaciones anteriores que trataban cada elemento ligero por separado.
En las nanoestructuras estudiadas, la proporción entre hidrógeno y silicio resultó ser de aproximadamente 1:1 a escala molar. Combinando este dato con modelos que sitúan el contenido de silicio del núcleo entre un 2 % y un 10 % en peso, el equipo pudo extrapolar cuánta cantidad de hidrógeno habría podido almacenar el núcleo primitivo de la Tierra.
Entre 9 y 45 océanos de hidrógeno en el interior del planeta
Las estimaciones obtenidas con esta metodología apuntan a que el núcleo terrestre contiene entre un 0,07 % y un 0,36 % de hidrógeno en peso. Traducido a un lenguaje menos técnico, esta fracción equivaldría al hidrógeno presente en entre 9 y 45 océanos como los actuales.
Estos valores son coherentes con otros cálculos recientes que hablan de entre 23 y 46 océanos equivalentes, en función de las hipótesis empleadas y de los rangos de presión y temperatura considerados. Aunque existen diferencias numéricas, todos los trabajos convergen en una idea principal: el núcleo podría ser el mayor reservorio de hidrógeno (y por extensión de agua) del planeta, por delante del manto y de los océanos superficiales.
Investigadores como José Alberto Padrón, del IACT-CSIC, señalan que, sumando las aportaciones del manto y del núcleo, es plausible que el interior terrestre pueda almacenar varias decenas de océanos actuales en forma de agua o hidrógeno disuelto. Esta visión contrasta con la percepción habitual de que la mayor parte del agua se concentra en la hidrosfera superficial.
Conviene matizar, no obstante, que se trata de estimaciones indirectas, derivadas de modelos de composición del núcleo y de experimentos realizados a pequeña escala. Los propios autores admiten que persisten incertidumbres sobre la cantidad exacta de silicio presente en el núcleo y sobre posibles interacciones químicas no consideradas, por lo que el rango de 9 a 45 océanos debe entenderse como una horquilla razonable, no como una cifra cerrada.
En cualquier caso, la magnitud del intervalo basta para replantear cómo se distribuye el agua en el planeta a lo largo de su historia, y qué papel ha desempeñado el hidrógeno profundo en la evolución geológica y climática de la Tierra.
¿Cuándo llegó el hidrógeno? Agua desde la formación de la Tierra
Más allá de las cifras, uno de los puntos más relevantes del trabajo de Huang y colaboradores es el momento en que el hidrógeno habría llegado al interior terrestre. Sus resultados apoyan de forma consistente la hipótesis de que la mayor parte del hidrógeno del núcleo se incorporó durante las fases tempranas de formación planetaria, hace unos 4.500 millones de años.
Según esta visión, mientras se formaba el planeta mediante la acreción de rocas, gas y polvo en torno al joven Sol, parte del hidrógeno presente en los materiales primitivos se disolvió en el metal líquido que acabaría hundiéndose para formar el núcleo. De este modo, el hidrógeno no sería un “invitado tardío” traído sobre todo por cometas helados, sino un componente ya integrado en el corazón de la Tierra desde sus primeros millones de años.
Los autores sostienen que una cantidad tan grande de hidrógeno en el núcleo “requeriría que la Tierra obtuviera la mayor parte de su agua de las etapas principales de la acreción”, y no principalmente de impactos posteriores. Este planteamiento encaja con ciertos modelos dinámicos de formación planetaria y con diferencias isotópicas que separan a la Tierra de algunas clases de meteoritos ricos en agua.
Ello no implica que cometas y asteroides hidratados no hayan contribuido nada, sino que su papel podría ser más complementario de lo que sugerían algunos modelos clásicos. El agua superficial que vemos hoy sería, en buena medida, la manifestación actual de un inventario hídrico que ya estaba presentes en las profundidades del planeta desde muy temprano.
Si se confirma este escenario, podría tener implicaciones importantes para la búsqueda de mundos rocosos potencialmente habitables en otros sistemas planetarios. Si los planetas similares a la Tierra tienden a nacer con agua incorporada en su interior, quizá los entornos acuosos no sean tan excepcionales como se pensaba.
Impacto en el campo magnético y en la dinámica interna
La presencia significativa de hidrógeno en el núcleo no solo afecta a los balances de agua, también puede influir en propiedades físicas clave del interior del planeta. El hidrógeno altera la densidad, la conductividad eléctrica y la viscosidad del hierro líquido, y por tanto modifica las condiciones en las que se genera el campo magnético.
El núcleo externo, compuesto principalmente de hierro y níquel en estado líquido, se mueve y convecta debido a gradientes de temperatura y composición. Este movimiento, junto con la rotación terrestre, alimenta el geodínamo que produce el campo magnético. Cambios en la mezcla de elementos ligeros, como el hidrógeno, pueden afectar la eficiencia de ese proceso y la forma en que el núcleo pierde calor hacia el manto.
Varios trabajos señalan que la combinación de silicio, oxígeno e hidrógeno en las aleaciones metálicas del núcleo podría facilitar la transferencia de calor hacia el manto, impulsando la dinámica interna desde etapas muy tempranas. De este modo, la composición del núcleo estaría ligada a la tectónica de placas, al vulcanismo y, en última instancia, a las condiciones superficiales que han hecho de la Tierra un planeta habitable.
Para la geofísica europea y española, estas conclusiones abren una vía adicional de estudio: integrar la información procedente de experimentos de laboratorio, simulaciones numéricas y observaciones sísmicas para refinar los modelos del núcleo. Centros de investigación del continente ya aplican estos datos a la interpretación de registros sísmicos globales y al análisis de la evolución del campo magnético a lo largo de millones de años.
En paralelo, el vínculo entre hidrógeno profundo y habitabilidad refuerza la conexión entre la ciencia del interior terrestre y áreas como la astrobiología y la climatología. La historia del agua en la Tierra, que condiciona el clima y la vida en la superficie, podría estar más estrechamente ligada a lo que ocurre a miles de kilómetros de profundidad de lo que se pensaba hasta ahora.
Aunque todavía quedan muchos cabos sueltos y las cifras exactas deberán afinarse con nuevos experimentos y métodos de observación, la idea de que el núcleo terrestre alberga decenas de océanos equivalentes de hidrógeno está ganando peso en la literatura científica. Esta visión no solo ayuda a explicar por qué el hidrógeno es tan escaso en la atmósfera y tan abundante en el interior, sino que también obliga a revisar los modelos clásicos sobre el origen del agua, la formación de planetas rocosos y el papel del núcleo como actor central en la evolución de la Tierra.