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Tectónica de tubos de calor

La tectónica de tubos de calor es un modo de enfriamiento de los planetas y lunas terrestres en el que el principal mecanismo de transporte de calor en el planeta es el vulcanis...

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La tectónica de tubos de calor es un modo de enfriamiento de los planetas y lunas terrestres en el que el principal mecanismo de transporte de calor en el planeta es el vulcanismo a través de la capa dura externa, también llamada litosfera . [1] [2] La tectónica de tubos de calor se inicia cuando el vulcanismo se convierte en el proceso dominante de transferencia de calor superficial. [1] Las rocas fundidas y otros materiales planetarios más volátiles se transfieren del manto a la superficie a través de respiraderos localizados. [1] Los materiales fundidos se enfrían y solidifican formando capas de materiales volcánicos fríos. [1] Los materiales recién erupcionados se depositan sobre las capas más antiguas y las entierran. [1] La acumulación de capas volcánicas en la capa y la correspondiente evacuación de materiales en profundidad provocan la transferencia descendente de materiales superficiales de tal manera que los materiales de la capa descienden continuamente hacia el interior del planeta. [1]

La tectónica de tubos de calor se introdujo por primera vez a partir de las observaciones de Ío , una de las lunas de Júpiter . [1] [2] Ío es un cuerpo rocoso que es extremadamente caliente en su interior; su calor se produce por la flexión de las mareas asociada con su órbita excéntrica . [2] [3] [4] [5] Libera calor interno a través de erupciones volcánicas frecuentes y extensas que transfieren los fundidos a la superficie. [2] [6] [7] Su corteza es una única capa exterior gruesa, densa y fría formada por capas de materiales volcánicos, cuya rigidez y resistencia soportan el peso de altas montañas. [3] [2] [8]

Las observaciones sugieren que procesos similares ocurrieron en la historia temprana de otros planetas terrestres en el Sistema Solar , es decir , Venus , la Luna , Marte , Mercurio y la Tierra , lo que indica que pueden preservar evidencia fósil de tubos de calor. [9] Cada cuerpo terrestre en nuestro Sistema Solar podría haber tenido tectónica de tubos de calor en algún momento; la tectónica de tubos de calor puede, por lo tanto, ser un modo de enfriamiento temprano universal de los cuerpos terrestres. [9]

Teoría

Figura 1: Reaparición de material volcánico. Los materiales fundidos ascienden por el respiradero hasta la superficie y forman capas de materiales volcánicos constantemente. De esta manera, los materiales recién depositados entierran las capas más antiguas, empujándolas hacia abajo. Además, pueden producirse intrusiones, por ejemplo, diapiros o sills, en el fondo de la litosfera.
Figura 2: Montaña contractiva. La advección descendente de las capas volcánicas se produce durante la renovación volcánica en curso. A medida que la capa más antigua se comprime hasta convertirse en una esfera más pequeña, se produce una contracción en la capa, lo que provoca un acortamiento, ya sea en forma de falla o pliegue.
Izquierda: La tectónica de tubos de calor genera una litosfera más gruesa y más fría mediante la renovación volcánica repetitiva. La litosfera permanece a baja temperatura, es decir, 600 grados Celsius, a gran profundidad. Derecha: La tectónica de placas genera una litosfera más delgada y más caliente que se eleva a 1500 grados Celsius a poca profundidad. (Modificado de Moore y Webb, 2013; Arevalo, McDonough y Luong, 2009)

En la tectónica de tubos de calor, el vulcanismo es el principal mecanismo de transporte de calor en el que los fundidos de roca se transfieren a la superficie por respiraderos localizados. [1] [3] [9] La advección , que se refiere a la transferencia de masa y calor, ocurre cuando un fluido en movimiento transporta sustancias o calor hacia o desde una fuente y a través de un sólido circundante a lo largo de canales. [10] Los fundidos se producen cuando las rocas del manto soportan temperaturas entre 1100 y 2400 °C a profundidades correspondientes (la presión varía la temperatura de fusión) con la presencia de agua. [11] [12] Cuando los fundidos alcanzan la superficie a través de respiraderos verticales, se enfrían y solidifican formando rocas máficas o ultramáficas que son ricas en hierro y magnesio . [1] [9] Una litosfera más gruesa se forma cuando los materiales volcánicos se acumulan en la superficie de la Tierra a través de erupciones volcánicas repetitivas. [1] [9] Los nuevos materiales en la parte superior, con el correspondiente vacío creado en el interior del planeta, conducen al hundimiento de los depósitos superficiales. [1] [9]

Esta advección vertical de materiales volcánicos provoca la compresión de la litosfera, porque las capas esféricas interiores de los planetas se van haciendo cada vez más pequeñas a medida que aumentan las profundidades. [1] [9] La superficie se enfría y se desarrolla una litosfera fría, densa y fuerte. [1] [9] La litosfera gruesa sostiene las montañas que resultan de la contracción de las capas volcánicas. [1] [9]

Los planetas en enfriamiento por tubos de calor podrían entrar en la siguiente etapa de la historia del enfriamiento, ya sea tectónica de tapa o tectónica de placas , inmediatamente después de la etapa de tubos de calor después de un enfriamiento prolongado. [1] [13]

Inspiración de Ío

Ío, ​​una luna de Júpiter, es un pequeño planeta terrestre, su radio es de 1821,6 ± 0,5 km, con un tamaño similar al de la Luna. [14] Sin embargo, Ío produce un flujo de calor mucho mayor, 60 ~ 160 teravatios (TW), que es 40 veces mayor que el de la Tierra. [3] [2] [15] [16] La desintegración radiactiva no puede generar esta gran cantidad de calor. La desintegración radiactiva proporciona calefacción en otros planetas terrestres. [3] [2] En cambio, el calor generado por las mareas es una mejor hipótesis , ya que Ío está bajo una gran influencia de mareas impuestas por Júpiter y otras grandes lunas de Júpiter, similares a la Tierra y la Luna. [3]

La primera observación que apoya esto fue el vulcanismo activo encontrado en Ío. Hay más de 100 calderas con abundantes y ampliamente distribuidos flujos de lava radiante . [2] [6] [7] Y se interpreta que la composición de la lava es principalmente azufre y silicatos debido a la alta temperatura de erupción de al menos 1200 K. [3]

Además del extenso vulcanismo, las cadenas montañosas son la segunda observación en la superficie de Ío. Ío tiene entre 100 y 150 montañas con una altura media de 6 km y una altura máxima de 17 km. [3] [2] Las montañas encontradas no tienen evidencia tectónica de su origen. Tampoco hay volcanes en las áreas montañosas. [3] [2]

A partir de estas observaciones se ha construido una hipótesis sobre el desarrollo de una litosfera gruesa. [2] [7] La ​​antigua teoría sugería que todos los planetas terrestres tienen una litosfera delgada. Sin embargo, una litosfera delgada de 5 km de espesor no puede soportar la gran tensión de 6 kbar ejercida por una montaña de 10 km × 10 km. [2] [8] A modo de comparación, la tensión máxima que puede soportar la litosfera de la Tierra es de 2 kbar. [2] Por lo tanto, Ío requiere una litosfera más gruesa para soportar las abrumadoras tensiones impuestas por las montañas distribuidas globalmente. [2]

Para explicar la situación en Ío se introdujo la tectónica de tubos de calor, que explica la distribución global de materiales volcánicos en la superficie, el desarrollo de una litosfera gruesa y la formación de montañas contractivas. [3] [2]

Tubos de calor fósiles en otros planetas terrestres del Sistema Solar

Una investigación de 2017 sugirió que todos los planetas terrestres posiblemente podrían haber experimentado vulcanismo para enfriarse en su desarrollo temprano, cuando eran mucho más calientes en su interior que en la actualidad. [1] [9] [13] En el Sistema Solar, Marte, la Luna, Mercurio, Venus y la Tierra muestran evidencia de tectónica de tubos de calor en el pasado, aunque no la estén experimentando en la actualidad. [9]

Tierra con tubo de calor

Se ha introducido una hipótesis sobre la Tierra primitiva según la cual la Tierra siguió la teoría de la tectónica de tubos de calor y se enfrió a través del vulcanismo. [1] Desde hace 4.500 millones de años, la Tierra comenzó a enfriarse hasta hace 3.200 millones de años, cuando comenzó la tectónica de placas . [1] [23] La edad de iniciación de la tectónica de placas está verificada por varias pruebas, como el Ciclo de Wilson . [1] [23]

Teorías y limitaciones existentes

Existen dos teorías principales que explican la tectónica primitiva de la Tierra: la tectónica de protoplacas y la tectónica vertical. [1] [24]

Nuevas observaciones en Barberton , Sudáfrica y Pilbara , Australia, no muestran evidencia de períodos de deformación no diapírica que duraron más de 300 millones de años. [1] Aplicando las teorías existentes para explicar la deformación, la intrusión ascendente en forma de goteo inverso de fundidos es la solución. [1] [26] [27] En este caso, deben estar involucrados movimientos horizontales. [1] Sin embargo, no se pudo encontrar ninguna prueba de movimiento horizontal. [1] Con base en esto, algunos investigadores aplicaron la tectónica de tubos de calor a la Tierra primitiva.

Evidencia de tubo de calor

Más allá de la tectónica de tubos de calor

A medida que pasa el tiempo, los planetas terrestres se enfrían a medida que la producción de calor interno se reduce y la temperatura de la superficie se vuelve más baja. [1] [13] Además de eso, el principal proceso de transferencia de calor está cambiando hacia la conducción. [1] [13] Por lo tanto, se produce una transición abrupta de la tectónica de tubos de calor a la tectónica de placas o a la tectónica de tapa estancada cuando el calor de conducción es mayor que la producción de calor interno. [1] [13] [34]

La tapa estancada se refiere a la litosfera relativamente estable e inmóvil, fuerte y fría, con pocos movimientos horizontales, mientras que la tectónica de placas se refiere a la litosfera móvil con muchos movimientos horizontales. [9]

En la etapa tectónica de placas, la placa comienza a romperse cuando las tensiones convectivas impulsadas por el manto superan la resistencia litosférica. [13] Como el vulcanismo ya no es el método de transferencia de calor dominante, se depositaría mucho menos material volcánico a nivel mundial. [13] Luego se desarrolla una litosfera más delgada con un gradiente de temperatura litosférica creciente, es decir, 1500 grados Celsius a 100 km de profundidad). [35]

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