Seguramente has oído sobre las corrientes de convección cuando hemos hablado de las diferentes capas de la Tierra. Cuando hablamos de corrientes de convección del interior de la tierra estamos hablando de las diferencias de densidades de los materiales que componen el manto terrestre. También existen corrientes de convección como fluidos que van moviéndose porque hay diferencias de temperatura.

En este artículo vamos a contarte todo sobre ello.

Qué son las corrientes de convección

Cuando nos encontramos con fluidos que se van desplazando y moviéndose porque hay una diferencia de temperatura o densidad tenemos las corrientes de convección. Para que existan este tipo de corriente es tiene que haber un fluido ya sea líquido o gas. Esto es debido a que las partículas dentro de un sólido están fijas y no se desplaza, por lo tanto, no pueda ver un flujo por diferencias tanto de temperatura como de densidades.

La diferencia que haya entre las temperaturas de una zona u otra dentro de un mismo material es lo que hace que exista una transferencia de energía de un área mayor a otra menor. La convección tiene lugar hasta que existe un equilibrio por completo. Cuando este proceso ocurre por una transferencia de calor se van formando corrientes de materia que se desplazan de un lugar a otro. Por ello, también se considera un proceso de transferencia masiva.

Las corrientes de convección que ocurren de forma natural se les llama también convección libre. Si por ejemplo, está convección tiene lugar dentro de un aparato como puede ser un ventilador o una bomba, se le llama la convección forzada.

Por qué se forman las corrientes de convección

Este tipo de fenómenos tiene lugar por una diferencia de temperatura que hace que las partículas se mueva creando una corriente. Esta corriente también se puede dar cuando hay una diferencia de densidad. Normalmente del flujo va en sentido desde donde hay mayor temperatura o densidad hasta donde hay menos temperatura y densidad. Estas corrientes de convección también tienen lugar en el aire. Los flujos de presión atmosférica soplan en sentido desde donde hay más densidad hacia donde hay menos. En el caso de las tormentas una zona de bajas presiones será el objetivo de la dirección del viento.

Esto es lo que hace que una zona de bajas presiones pueda convertirse en un lugar donde hayan precipitaciones e incluso tormentas. Cuando una corriente transfiere calor de la zona de alta energía a la de baja energía se produce esta convección. En los gases y en el plasma arena y central temperatura que también conduce a regiones de mayor y menor densidad, donde los átomos y moléculas se va moviendo para poder rellenar las áreas que están más vacías. Se puede decir de una forma resumida que los fluidos calientes van subiendo mientras los fríos se van hundiendo de una forma continua.

Esto ocurrirá así de forma natural a no ser que exista una fuente de energía, como puede ser la luz solar o una fuente de calor, que cambie el rumbo de estas corrientes. Las corrientes de convección tienen lugar hasta que las temperaturas hora densidades sean uniformes. Que las temperaturas y las densidades eran completamente uniformes en las capas de la Tierra es más complicado. Esto es debido a que la corteza continental está en continua creación y destrucción, por lo tanto, sexta continuamente incorporando materiales de distinta temperatura y densidad al manto terrestre. Por no mencionar de las temperaturas en el interior del núcleo interno.

Los materiales en el núcleo interno de nuestro planeta son sólidos debido a la fuerte presión que existe en el centro. El núcleo externo, por otro lado, tiene materiales fluidos debido a que, aunque las temperaturas son muy altas, no existe una presión tan potente.

Debido a esta introducción de materiales de forma continua y una diferencia de temperatura y densidad es tan altas, existen las llamadas corrientes de convección del manto y son las causantes del movimiento de la tectónica de placas.

Algunos ejemplos

Para poder poner algunos ejemplos que haga ver todo esto mucho más claro vamos a describir lo siguiente: muchos científicos analizan las fuerzas que actúan sobre un fluido para poder categorizarlas y comprender la convección. Estas fuerzas puede incluir a la gravedad, la tensión superficial, los campos electromagnéticos, las vibraciones, las diferencias de concentración y la formación de enlaces entre moléculas. Estas corrientes de convección pueden modelarse y describirse empleando distintas ecuaciones de transporte escalar.

Un ejemplo de corriente de convección puede ser la que se produce en el agua hirviendo dentro de una olla. En cuanto se agreguen unos pocos guisantes o trozo de papel para rastrear el flujo actual se puede ver como la fuente de calor en la parte interior de la hoya va calentando el agua y le otorga energía haciendo que las moléculas se muevan de una forma más rápida. Cuando se introduce el material a una baja temperatura afecta también a la densidad del agua. A medida que el agua se va desplazando hacia la superficie deja parte de energía que se escape en forma de vapor. La evaporación va enfriando la superficie lo suficiente como para que algunas moléculas vuelvan a hundirse hacia el fondo de la olla.

Otro ejemplo de corriente de convección de aire caliente es el que se da en una casa cuando el aire asciende por el techo o el ático de una casa. Esto es debido a que el aire caliente es menos denso del aire frío por lo que tiende a ascender. Como hemos mencionado antes, también podemos verlo con el viento. La luz solar y la radiación calienta el aire de la atmósfera estableciendo una diferencia de temperatura que hace que el aire se vaya moviendo. Mientras más pronunciada sea la diferencia de temperaturas entre una zona y otra mayor será el régimen de vientos. Esto es debido a que más cantidad de aire se desplazará desde la zona de más presión a la de menos presión.

Espero que con estos ejemplos haya quedado mucho más claro lo qué son las corrientes de convección.

¿Qué son las corrientes de convección?

Las corrientes de convección son el movimiento continuo y lento que las placas terrestres realizan constantemente, el cual transporta el calor desde el interior hasta la superficie de la Tierra. 

El planeta tierra está formado por un núcleo, el manto y la corteza terrestre. El manto es la capa que se encuentra entre el núcleo y la corteza. La profundidad de este varía, dependiendo del punto del planeta en el que nos encontremos, pudiendo extenderse desde una profundidad de 30 km respecto a la superficie, hasta los 2.900 km.

El manto se distingue del núcleo y la corteza porque tiene un comportamiento mecánico. Está formado por un material viscoso sólido. Se encuentra en estado viscoso debido a las altas presiones a las que está sometido.

Las temperaturas del manto pueden oscilar entre los 600 °C, y los 3.500 °C. Tiene temperaturas más frías cuanto más cercano esté a la superficie, y temperaturas más elevadas cuanto más próximo se encuentre del núcleo.

Podemos separar el manto en dos partes, el superior y el inferior. El manto inferior confluye desde la discontinuidad de Mohorovičić hasta una profundidad de unos 650 km.

Esta discontinuidad, conocida comúnmente por Moho, se sitúa en una profundidad media de 35 km, pudiendo encontrarse tan solo 10 km por debajo del fondo de los océanos. El manto inferior sería la parte comprendida entre los 650 km de profundidad, hasta el límite con el núcleo interno del planeta.

Debido a la diferencia térmica existente entre el núcleo y la corteza terrestre, se producen corrientes convectivas a lo largo de todo el manto.

Origen de las hipótesis

En 1915, una hipótesis desarrollada por Alfred Wegener postulaba el movimiento de las masas continentales. Wegener decía que los continentes se desplazaban sobre el fondo del océano, aunque no sabía cómo demostrarlo.

En 1929, Arthur Holmes, un reconocido geólogo británico, postuló la hipótesis que bajo la corteza terrestre podíamos encontrar un manto de roca fundida, que provocaba corrientes de convección de lava que tenían fuerza para mover las placas tectónicas y, por ende, los continentes.

Pese a que la teoría era coherente, no fue aceptada hasta los años 60, que se empezó a desarrollar las teorías sobre tectónica de placas.

En estas formulaciones se mantenía que las placas terrestres se desplazaban debido a las fuerzas de convección de la Tierra, provocando choques, que son los encargados de dar forma a la superficie terrestre.

¿Cómo funcionan las corrientes de convección?

Las corrientes de convección son las corrientes de materiales que se producen en el manto terrestre con ayuda de la gravedad. Estas corrientes son las encargadas de desplazar no solo los continentes, como postulaba Wegener, sino todas las placas litosféricas que se encuentran por encima del manto.

Estas corrientes se producen por diferencias de temperatura y densidad. Ayudadas por la gravedad, hacen que los materiales más calientes asciendan en dirección a la superficie, ya que son más ligeros.

Esto significa, por tanto, que los materiales más fríos son más densos y más pesados, por lo que descienden hacia el núcleo terrestre.

El manto está formado de materiales sólidos, pero se comporta como si fuera un material viscoso que se deforma y estira, que mueve sin llegar a romperse. Se comporta de esta manera debido a las altas temperaturas y la gran presión a la que están sometidos estos materiales.

En la zona cercana al núcleo terrestre, las temperaturas pueden llegar a alcanzar los 3.500 °C, y las rocas que se encuentran en esa parte del manto pueden llegar a fundirse.

Al fundirse, los materiales sólidos pierden densidad, por lo que se hacen más ligeros y se mueven hacia la superficie. La presión de los materiales sólidos que tiene por encima, hace que estos intenten descender por su peso, permitiendo la salida de los materiales más calientes hacia la superficie.

Estas corrientes de materiales con forma ascendente, se les conoce como plumas o penachos térmicos.

Los materiales que alcanzan la litosfera pueden llegar a atravesarla, y eso es lo que forma la fragmentación de los continentes.

La litosfera oceánica tiene una temperatura muy inferior a la del manto, por lo que grandes trozos fríos se hunden en el manto, originando corrientes descendentes. Estas corrientes descendentes pueden llegar a mover los trozos de litosfera oceánica fría, hasta la proximidad del núcleo.

Estas corrientes, ya sean ascendentes o descendentes, actúan como un rodillo, creando las células de convección, lo que permite explicar el movimiento de las placas tectónicas de la corteza terrestre.

Criticas a estas teorías

Nuevos estudios han modificado un poco la teoría de las células de convección. Si esta teoría fuese cierta, todas las placas que conforman la superficie terrestre deberían tener una célula de convección.

Sin embargo, hay placas que son tan grandes, que una sola célula de convección debería tener un gran diámetro y gran profundidad. Esto produciría que alguna de las células llegara hasta la profundidad del núcleo.

Por estas últimas investigaciones, se ha llegado a la idea de que existen dos sistemas convectivos separados, siendo esta la razón por la que la Tierra ha mantenido el calor durante tanto tiempo.

Los estudios de las ondas sísmicas han permitido obtener los datos de la temperatura interna de la Tierra y la realización de un mapa de calor.

Estos datos obtenidos por la actividad sísmica, apoyan la teoría de que existen dos tipos de células de convección, unas más cercanas a la corteza terrestre y otras más cercanas al núcleo.

Estos estudios también sugieren que los movimientos de las placas tectónicas no solo se deben a las células de convección, sino que la fuerza de la gravedad ayuda empujando las partes más internas hacia la superficie.

Cuando la placa se estira por las fuerzas de convección, la fuerza de gravedad ejerce presión sobre esta y acaba por romperse.

Referencias

1. Archibald Geikie (1874). Geology.

2. DAVIS, J.C., SAMPSON, R.J. Statistics and data analysis in geology.