CÓMO UN OCÉANO DE MAGMA PODRÍA CONVERTIR HIDRÓGENO EN AGUA
Imaginemos la Tierra joven tras un impacto gigante: un océano global de roca fundida —un océano de magma— bajo una atmósfera densa compuesta sobre todo de hidrógeno. Si se pone hidrógeno en contacto con un óxido de hierro que lleva oxígeno de más, el hidrógeno toma ese oxígeno y se convierte en agua. ¿Pudo ocurrir eso a escala planetaria, y a qué velocidad? Tatsuya Yoshida, del Earth-Life Science Institute del Institute of Science Tokyo, y sus colegas de la Universidad de Hokkaido, la Universidad de Tohoku y el Instituto Nacional de Tecnología de la Información y las Comunicaciones de Japón construyeron un modelo para averiguarlo.
Hierro partido en dos en las profundidades
En un océano de magma profundo, a las presiones del manto inferior, el hierro ferroso (FeO, un átomo de oxígeno por átomo de hierro) puede dismutarse: se separa en hierro metálico y hierro férrico (FeO₁.₅, un átomo y medio de oxígeno por átomo de hierro), según 3 FeO → 2 FeO₁.₅ + Fe. El metal se hunde hacia el núcleo y la convección reparte el hierro férrico, lo que deja el material fundido, según estudios anteriores, más o menos tan oxidado como el manto actual. ¿A qué velocidad reaccionaría con el hidrógeno de arriba, y qué le haría a su vez la atmósfera al magma? Muchos modelos anteriores trataban el manto y el magma como una reserva de oxígeno sin fondo.
Una piel que no deja de hundirse
El modelo acopla la filtración del hidrógeno en el material fundido, su reacción con el hierro férrico (H₂ + 2 FeO₁.₅ → H₂O + 2 FeO), el reparto del agua y los óxidos entre el aire, el magma y el manto sólido que cristaliza debajo, y el enfriamiento del planeta. El aire empieza con unas diez moléculas de hidrógeno por cada molécula de agua. Las cantidades se cuentan en N_TO: un N_TO equivale a tantas moléculas de hidrógeno como moléculas de agua hay en los océanos actuales. No se sabe hasta qué punto se mezclan el magma y el manto sólido, así que el equipo simuló dos extremos: intercambio libre (caso 1), o material fundido atrapado en el manto a medida que se solidifica (caso 2).
El cuello de botella está en la parte superior del magma. El hidrógeno se difunde muy despacio en la roca fundida, así que debe atravesar una fina capa límite en la superficie. Esa capa no se queda quieta: enfriada desde arriba, se vuelve más densa hasta hundirse, y material fundido nuevo ocupa su lugar. En un océano de magma caliente y profundo —temperatura superficial de 2.400 kelvin, presión de 50 gigapascales en su base, 400 vatios de calor escapando por cada metro cuadrado—, esto ocurre cada 70 segundos aproximadamente.
En ese tiempo, el hidrógeno penetra menos de un milímetro en una capa de 19 milímetros de grosor. Pero la renovación constante mantiene pronunciado el gradiente de hidrógeno, así que el flujo de entrada sigue siendo alto: por encima de 0,1 N_TO por cada mil años, 0,35 de media.
El modelo: el hidrógeno se difunde desde la atmósfera hacia una fina capa límite, reacciona con el hierro férrico para formar agua, y la capa se vuelca en el océano de magma. Más abajo, el hierro se separa en hierro férrico y metal. Los casos 1 y 2 difieren en cómo intercambia material el magma con el manto sólido. — Figura 1, Yoshida et al. (2026), arXiv:2610.38503.
Unos diez mil años
En el ejemplo principal —10 N_TO de hidrógeno y agua en total, con un magma que llega hasta los 50 gigapascales—, el hierro férrico se consume, pero el hierro sigue separándose en la base del océano de magma y lo repone, así que el material fundido se mantiene más o menos igual de oxidado. La superficie alcanza el equilibrio químico con el aire cuando este contiene aproximadamente tanto vapor de agua como hidrógeno: al cabo de unos 0,01 millones de años, es decir, 10.000 años. Para entonces, el hidrógeno, sumando aire y magma, ha bajado de unos 5 N_TO a menos de 1, y el agua, disuelta sobre todo en el material fundido, casi se ha duplicado. Los autores obtienen esta velocidad cuando el océano de magma es lo bastante profundo y caliente como para llegar al manto inferior.
Después, en el caso 1, el océano de magma se congela a lo largo de unos 2 millones de años, bajo una atmósfera que hace de manta. El agua escapa del material fundido a medida que cristaliza: en el caso 1, más del 80 % acaba en el aire.
Arriba: presión del hidrógeno (verde) y del vapor de agua (azul) en la atmósfera. Abajo: cantidades totales, en N_TO. Izquierda, caso 1; derecha, caso 2. Cerca de 10⁻² millones de años, el hidrógeno se desploma y el agua aumenta. — Figura 6 (paneles a–d), Yoshida et al. (2026), arXiv:2610.38503.
El aire responde
A medida que se forman cristales, estos incorporan el hierro férrico de forma desigual. En el caso 1, el hierro férrico prefiere el manto sólido y el material fundido tendería a volverse reductor; el agua que sale del magma reacciona entonces con el hierro ferroso, y el aire oxida el magma. En el caso 2, el hierro férrico se acumula en el material fundido una vez que se solidifica el manto superior, su parte más somera; el hidrógeno lo reduce entonces. La atmósfera actúa como tampón, y ambos casos terminan con un aire bastante parecido. Si se desactiva esta contabilidad del oxígeno, como hacían los modelos anteriores, divergen de forma considerable.
Océanos más profundos, más agua
En todas las simulaciones, cuanto más profundo es el océano de magma, más agua produce: una presión más alta favorece la separación del hierro. Para profundidades dentro del intervalo deducido a partir de cómo se repartieron entre el metal y la roca los elementos afines al hierro —de 28 a 53 gigapascales en la base—, más del 70 % del hidrógeno acaba convertido en agua. Si la Tierra joven reunió tanto hidrógeno como el agua que contiene hoy toda la Tierra fuera de su núcleo, de 1 a 10 N_TO, esta química podría explicar el balance de agua de la Tierra, escriben los autores.
Marte encaja en la tendencia. Un océano de magma marciano, si lo hubo, no podría haber llegado más hondo que el núcleo del planeta, a 18-19 gigapascales, y el modelo da entonces un manto mucho menos oxidado que el de la Tierra, en coherencia con los meteoritos marcianos, cuya química está cerca del punto en el que coexisten el hierro metálico y el óxido de hierro.
Lo que podría cambiar el panorama
El modelo supone que las gotas de hierro caen al núcleo de inmediato; si la convección las mantuviera en suspensión, podrían dejar la superficie en estado reductor y limitar la producción de agua. Los experimentos de alta presión no coinciden en cuánto hierro férrico se forma. Los datos de difusión se detienen cerca de 1.700 kelvin y la velocidad de reacción procede de óxidos de hierro sólidos, así que probablemente se subestima la absorción de hidrógeno. Y el modelo deja el manto con una relación entre hierro férrico y ferroso de 0,06 a 0,15, por encima de la actual, de 0,02 a 0,06: procesos posteriores, como la llegada tardía de material rico en metal, tendrían que haberla reducido.
Un cielo que siguió rico en hidrógeno
Una vez congelado el océano de magma, el vapor de agua debió de condensarse en un océano superficial. El hidrógeno sobrante habría permanecido en el aire junto con gases de carbono y nitrógeno; los autores sugieren que pudo ayudar a formar metano, amoníaco y luego compuestos orgánicos que quizá se acumularon en aquel primer océano. Una gran parte del agua de ese océano, en esta imagen, empezó siendo hidrógeno del cielo, absorbido por el magma a través de una piel que se hundía y se renovaba más o menos cada minuto.