El geodinamo terrestre: física, estructura y mecanismos que generan el campo magnético del planeta
El campo magnético de la Tierra es uno de los fenómenos geofísicos más estudiados y, al mismo tiempo, más difíciles de modelizar con precisión. Su origen no se encuentra en un imán permanente, sino en un sistema autoorganizado basado en fluidos conductores, calor interno y rotación planetaria. Ese sistema es el geodinamo, alojado en el núcleo externo.
- Estructura interna relevante para el geodinamo
El núcleo terrestre presenta dos regiones muy diferenciadas:
1.1 Núcleo interno (sólido)
Composición predominante: hierro con níquel.
Temperaturas: ~5400 K.
Estado sólido por la enorme presión (superior a 330 GPa).
Función esencial: actúa como fuente de calor y como agente que impulsa convección composicional al expulsar elementos ligeros cuando el hierro solidifica.
1.2 Núcleo externo (líquido)
Espesor: ~2200 km.
Composición: aleación metálica fundida, principalmente hierro, con elementos ligeros (S, O, Si).
Conductividad eléctrica: muy elevada (σ ~ 10^6 S/m).
Dinámica: fluido en movimiento convectivo, esencial para el geodinamo.
La frontera entre ambos núcleos (ICB: Inner Core Boundary) y la frontera entre núcleo y manto (CMB: Core-Mantle Boundary) son claves para la transferencia de energía y momento.
- Los motores energéticos del geodinamo
El movimiento del hierro líquido requiere fuentes de energía que mantengan la convección durante escalas de tiempo geológicas. Las principales son:
2.1 Convección térmica
Proviene del calor primordial de la formación de la Tierra, del calor liberado por la solidificación del núcleo interno y del calor radiogénico (aunque éste último es menor en proporción en el núcleo).
La ecuación de energía térmica se expresa generalmente como:
Q_total = Q_primordial + Q_latente + Q_composicional + Q_radiógeno – Q_conductivo
Todas las contribuciones que impulsan convección deben superar el umbral impuesto por la conducción estable del calor a través del CMB.
2.2 Convección composicional
Cuando el hierro del núcleo interno cristaliza, excluye elementos ligeros. Esos elementos, menos densos, ascienden por flotabilidad, generando un aporte adicional de convección. Esta forma de convección es hoy considerada más intensa y eficiente que la térmica.
2.3 Fuerzas de marea
Aportan energía secundaria. Su efecto es menor, pero no despreciable en modelos de largo plazo.
- El principio físico: flujo conductor + movimiento = inducción magnética
El núcleo externo es un fluido conductor. Su movimiento frente a un campo magnético preexistente (remanente o inducido por corrientes iniciales) provoca la creación de corrientes eléctricas. Estas corrientes, por la ley de Ampère, generan campo magnético.
La ecuación de inducción magnética (en forma simplificada) es:
∂B/∂t = ∇ × (v × B) + η∇²B
donde:
B = campo magnético,
v = velocidad del fluido conductor,
η = difusividad magnética.
El primer término, llamado término de advección o “stretch, twist and fold”, amplifica el campo. El segundo representa la difusión magnética, que lo debilita. Para que exista un geodinamo autorreforzado, debe cumplirse que:
Rm = UL/η >> 1
donde Rm es el número magnético de Reynolds, U la escala típica de velocidad del fluido, L la escala espacial relevante y η la difusividad magnética. En el núcleo externo, Rm es del orden de 1000, lo que permite la autoinducción.
- Papel de la rotación planetaria: la fuerza de Coriolis
La rotación de la Tierra introduce un término adicional: la fuerza de Coriolis, que tiende a organizar los movimientos convectivos en cilindros coaxiales con el eje de rotación. Esta organización es crucial porque:
Alinea las corrientes y reduce la turbulencia caótica.
Favorece la generación de dipolos estables.
Introduce helicidad, esencial en la amplificación del campo.
En esencia, el geodinamo terrestre funciona gracias a la interacción entre convección y rotación, formando columnas de Taylor, estructuras helicoidales que sostienen el dipolo global.
- Interacción con el manto y variabilidad temporal
El CMB actúa como filtro dinámico. Las variaciones térmicas del manto, como plumas mantélicas o regiones más frías, afectan el flujo de calor hacia el núcleo. Esto modula la convección y, por tanto, el comportamiento del campo magnético.
Consecuencias observables:
Deriva secular del campo.
Cambios en intensidad.
Asimetría hemisférica.
Inversiones del campo y excursiones geomagnéticas.
Las inversiones se producen cuando el dipolo se debilita y gana importancia el componente multipolar. Los modelos sugieren que fluctuaciones convectivas intensas desestabilizan la configuración dipolar.
- Evidencias observacionales
Paleomagnetismo: minerales ferromagnéticos registran la dirección del campo en el momento de su formación. Se observan múltiples inversiones en los últimos 160 millones de años.
Geomagnetismo moderno: observatorios y satélites (como Swarm) permiten reconstruir la estructura del campo en tiempo real.
Datos sísmicos: la velocidad de ondas P y S revela la existencia de un núcleo interno sólido y permite inferir propiedades del líquido del núcleo externo.
Modelos numéricos: simulaciones de MHD en supercomputadores reproducen inversions, derivabas y variabilidad del campo, aunque a menudo requieren valores viscosos artificiales por limitaciones computacionales.
- Escala temporal del geodinamo
El núcleo externo tarda miles de años en responder dinámicamente. La difusión magnética característica tiene un tiempo de ~10 000 años. Esto explica por qué los cambios rápidos del campo observados en la superficie representan resultado de procesos más lentos en profundidad.
- Un sistema estable pero no estático
El geodinamo terrestre parece mantenerse gracias al crecimiento continuo del núcleo interno. El hierro sólido avanza aproximadamente 1 mm por año. Mientras ese proceso continúe, seguirán existiendo las fuentes de energía necesarias para la convección composicional.
Los modelos sugieren que el dinamo terrestre ha estado activo al menos desde hace 3.4–3.5 Ga. Su futura estabilidad depende del balance entre enfriamiento global y disponibilidad de energía para la convección.
Fuentes recomendadas sobre el origen del campo magnético terrestre “Hipótesis de la dínamo” — artículo explicativo sobre la teoría del geodinamo y cómo se genera el campo magnético mediante corrientes en el núcleo externo líquido. “Campo magnético terrestre” — artículo resumido que describe su origen en las corrientes del núcleo externo, la estructura dipolar y la influencia de la rotación terrestre. “Approaching a realistic force balance in geodynamo simulations” — estudio técnico (modelos numéricos) que analiza la dinámica interna, las fuerzas relevantes (magnetismo, flotabilidad, Coriolis) y los retos de simular un geodinamo realista. “The interplay of fast waves and slow convection in geodynamo simulations nearing Earth’s core conditions” — trabajo reciente sobre cómo la convección y ondas magnéticas podrían combinarse en el núcleo para provocar las variaciones del campo geomagnético. “Thermal and magnetic evolution of an Earth-like planet with a basal magma ocean” — artículo que explora modelos de evolución térmica y magnética de planetas similares a la Tierra, aportando hipótesis sobre fuentes de energía y sostenibilidad del geodinamo. “El campo magnético terrestre: principios físicos y geodinamo” — documento de divulgación / geología física que describe cómo la convección en el núcleo externo genera un campo dipolar, afectado por la rotación. Artículos de divulgación recientes que muestran que incluso un núcleo líquido primitivo pudo generar un escudo magnético — lo que sitúa la antigüedad del geodinamo muy atrás en la historia de la Tierra.
Cómo utilizar estas fuentes Las páginas explicativas (tipo “Campo magnético terrestre”, “Hipótesis de la dínamo”) sirven para contextualizar y resumir los conceptos básicos: estructura interna, convección, rotación, efecto dinamo. Los artículos académicos (simulaciones de geodinamo, evolución térmica, ondas magnéticas, modelos MHD) aportan rigor; permiten referirse a ecuaciones, balances de fuerzas y límites de los modelos. Los artículos de divulgación reciente ayudan a conectar con el lector general, mostrando que la investigación sigue activa, y que nuevos hallazgos (conductividad del hierro, núcleos primitivos líquidos) refinan el entendimiento del geodinamo