Geofísica

La atracción gravitatoria de la Luna y el Sol produce dos mareas altas y dos mareas bajas cada día lunar, o cada 24 horas y 50 minutos. Por lo tanto, hay un intervalo de 12 horas y 25 minutos entre cada marea alta y entre cada marea baja. ^{[ 7 ]}

Las fuerzas gravitacionales hacen que las rocas presionen sobre las rocas más profundas, aumentando su densidad a medida que aumenta la profundidad. ^{[ 8 ]} Las mediciones de la aceleración gravitacional y el potencial gravitacional en la superficie terrestre y por encima de ella pueden usarse para buscar depósitos minerales (ver anomalía gravitacional y gravimetría ). ^{[ 9 ] [ 10 ]} El campo gravitacional superficial proporciona información sobre la dinámica de las placas tectónicas . La superficie geopotencial llamada geoide es una definición de la forma de la Tierra. El geoide sería el nivel medio global del mar si los océanos estuvieran en equilibrio y pudiera extenderse a través de los continentes (como con canales muy estrechos). ^{[ 11 ] [ 10 ]}

Las ondas sísmicas son vibraciones que viajan a través del interior de la Tierra o a lo largo de su superficie. ^{[ 12 ]} La Tierra entera también puede oscilar en formas que se denominan modos normales u oscilaciones libres de la Tierra . Los movimientos del suelo producidos por ondas o modos normales se miden mediante sismógrafos . Si las ondas provienen de una fuente localizada, como un terremoto o una explosión, se pueden utilizar mediciones en más de un lugar para localizar la fuente. La ubicación de los terremotos proporciona información sobre la tectónica de placas y la convección del manto. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

El registro de ondas sísmicas provenientes de fuentes controladas proporciona información sobre la región por la que viajan las ondas. Si la densidad o composición de la roca cambia, las ondas se reflejan. Las reflexiones registradas mediante sismología de reflexión pueden proporcionar abundante información sobre la estructura de la Tierra hasta varios kilómetros de profundidad y se utilizan para ampliar nuestro conocimiento de la geología, así como para la exploración de petróleo y gas. ^{[ 9 ]} Los cambios en la dirección de propagación, denominados refracción , pueden utilizarse para inferir la estructura profunda de la Tierra . ^{[ 14 ]}

Los terremotos representan un riesgo para los seres humanos . Comprender sus mecanismos, que dependen del tipo de terremoto (por ejemplo, intraplaca o de foco profundo ), puede conducir a mejores estimaciones del riesgo sísmico y a mejoras en la ingeniería sísmica . ^{[ 15 ]}

Siempre hay un campo eléctrico descendente cerca de la superficie que promedia 120 voltios por metro. ^{[ 16 ]} Los rayos cósmicos galácticos que penetran la atmósfera provocan su ionización con respecto a la Tierra sólida, dejándola con una carga positiva neta. ^{[ 17 ]} Una corriente de aproximadamente 1800 amperios fluye en el circuito global. ^{[ 16 ]} Fluye hacia abajo desde la ionosfera sobre la mayor parte de la Tierra y regresa hacia arriba a través de las tormentas eléctricas. El flujo se manifiesta por relámpagos debajo de las nubes y duendes en la parte superior.

En los estudios geofísicos se utilizan diversos métodos eléctricos. Algunos miden el potencial espontáneo , un potencial que surge en el suelo debido a perturbaciones naturales o provocadas por el hombre. Las corrientes telúricas fluyen en la Tierra y los océanos. Tienen dos causas: la inducción electromagnética por el campo geomagnético externo, que varía con el tiempo, y el movimiento de cuerpos conductores (como el agua de mar) a través del campo magnético permanente de la Tierra. ^{[ 18 ]} La distribución de la densidad de corriente telúrica puede utilizarse para detectar variaciones en la resistividad eléctrica de las estructuras subterráneas. Los geofísicos también pueden generar la corriente eléctrica ellos mismos (véase polarización inducida y tomografía de resistividad eléctrica ).

Las ondas electromagnéticas se producen en la ionosfera y la magnetosfera, así como en el núcleo externo de la Tierra . Se cree que el canto del amanecer es causado por electrones de alta energía que quedan atrapados en el cinturón de radiación de Van Allen . Los silbidos son producidos por rayos . El silbido puede ser generado por ambos. Las ondas electromagnéticas también pueden ser generadas por terremotos (véase sismoelectromagnetismo ).

En el hierro líquido altamente conductor del núcleo externo, los campos magnéticos se generan por corrientes eléctricas mediante inducción electromagnética. Las ondas de Alfvén son ondas magnetohidrodinámicas en la magnetosfera o el núcleo terrestre. En el núcleo, probablemente tengan poco efecto observable sobre el campo magnético terrestre, pero ondas más lentas, como las ondas magnéticas de Rossby, podrían ser una fuente de variación secular geomagnética . ^{[ 19 ]}

Los métodos electromagnéticos que se utilizan para el estudio geofísico incluyen electromagnetismo transitorio , magnetotelúrica , resonancia magnética nuclear superficial y registro electromagnético del fondo marino. ^{[ 20 ]}

El campo magnético terrestre protege a la Tierra del letal viento solar y se ha utilizado durante mucho tiempo para la navegación. Se origina en los movimientos fluidos del núcleo externo. ^{[ 19 ]} El campo magnético en la atmósfera superior da origen a las auroras . ^{[ 21 ]}

El campo terrestre se asemeja a un dipolo inclinado , pero cambia con el tiempo (un fenómeno denominado variación secular geomagnética). Generalmente, el polo geomagnético se mantiene cerca del polo geográfico , pero en intervalos aleatorios, con un promedio de entre 440 000 y un millón de años, la polaridad del campo terrestre se invierte. Estas inversiones geomagnéticas , analizadas mediante una Escala de Tiempo de Polaridad Geomagnética , contienen 184 intervalos de polaridad en los últimos 83 millones de años, con cambios en la frecuencia a lo largo del tiempo. La inversión completa más reciente, el evento de Laschamp, ocurrió hace 41 000 años durante el último período glacial . Los geólogos observaron la inversión geomagnética registrada en rocas volcánicas mediante correlación magnetoestratigráfica (véase magnetización remanente natural ), y su huella se manifiesta como franjas de anomalías magnéticas lineales paralelas en el fondo marino. Estas franjas proporcionan información cuantitativa sobre la expansión del fondo marino , un aspecto de la tectónica de placas. Son la base de la magnetoestratigrafía , que correlaciona las inversiones magnéticas con otras estratigrafías para construir escalas de tiempo geológicas. ^{[ 23 ]} Además, la magnetización en las rocas puede utilizarse para medir el movimiento de los continentes. ^{[ 19 ]}

La desintegración radiactiva representa aproximadamente el 80% del calor interno de la Tierra , alimentando la geodinamo y la tectónica de placas. ^{[ 24 ]} Los principales isótopos productores de calor son el potasio-40 , el uranio-238 , el uranio-235 y el torio-232 . ^{[ 25 ]} Los elementos radiactivos se utilizan para la datación radiométrica , el método principal para establecer una escala de tiempo absoluta en geocronología .

Los isótopos inestables se desintegran a velocidades predecibles, y las velocidades de desintegración de los diferentes isótopos abarcan varios órdenes de magnitud, por lo que la desintegración radiactiva puede utilizarse para datar con precisión tanto eventos recientes como eventos de eras geológicas pasadas . ^{[ 26 ]} El mapeo radiométrico mediante espectrometría gamma terrestre y aérea puede utilizarse para mapear la concentración y distribución de radioisótopos cerca de la superficie terrestre, lo cual es útil para mapear la litología y la alteración. ^{[ 27 ] [ 28 ]}

Los movimientos de fluidos ocurren en la magnetosfera, la atmósfera , el océano, el manto y el núcleo. Incluso el manto, a pesar de su enorme viscosidad , fluye como un fluido durante largos intervalos de tiempo. Este flujo se refleja en fenómenos como la isostasia , el rebote postglacial y las plumas del manto . El flujo del manto impulsa la tectónica de placas y el flujo en el núcleo terrestre impulsa la geodinamo. ^{[ 19 ]}

La dinámica de fluidos geofísicos es una herramienta fundamental en la oceanografía física y la meteorología . La rotación de la Tierra tiene profundos efectos en la dinámica de fluidos terrestres, a menudo debido al efecto Coriolis . En la atmósfera, da lugar a patrones a gran escala como las ondas de Rossby y determina los patrones básicos de circulación de las tormentas. En el océano, impulsa patrones de circulación a gran escala, así como ondas de Kelvin y espirales de Ekman en la superficie oceánica. ^{[ 29 ]} En el núcleo terrestre, la circulación del hierro fundido está estructurada por columnas de Taylor . ^{[ 19 ]}

Las ondas y otros fenómenos en la magnetosfera pueden modelarse utilizando la magnetohidrodinámica .

La Tierra se está enfriando, y el flujo de calor resultante genera el campo magnético terrestre a través de la geodinamo y la tectónica de placas a través de la convección del manto . ^{[ 30 ]} Las principales fuentes de calor son: el calor primordial debido al enfriamiento de la Tierra y la radiactividad en la corteza superior del planeta. ^{[ 31 ]} También hay algunas contribuciones de las transiciones de fase . El calor se transporta principalmente a la superficie por convección térmica , aunque hay dos capas límite térmicas —el límite núcleo-manto y la litosfera— en las que el calor se transporta por conducción . ^{[ 32 ]} Parte del calor es transportado desde el fondo del manto por plumas del manto . El flujo de calor en la superficie terrestre es de aproximadamente 4,2 × 10 ¹³ W , y es una fuente potencial de energía geotérmica . ^{[ 33 ]}

Es fundamental comprender las propiedades físicas de los minerales para inferir la composición del interior de la Tierra a partir de la sismología , el gradiente geotérmico y otras fuentes de información. Los físicos de minerales estudian las propiedades elásticas de los minerales; sus diagramas de fases a alta presión , puntos de fusión y ecuaciones de estado a alta presión; y las propiedades reológicas de las rocas, es decir, su capacidad de fluir. La deformación de las rocas por fluencia permite el flujo, aunque durante cortos periodos de tiempo las rocas son frágiles. La viscosidad de las rocas se ve afectada por la temperatura y la presión, y a su vez, determina la velocidad a la que se mueven las placas tectónicas. ^{[ 8 ]}

El agua es una sustancia muy compleja y sus propiedades únicas son esenciales para la vida. ^{[ 34 ]} Sus propiedades físicas dan forma a la hidrosfera y son una parte esencial del ciclo del agua y del clima . Sus propiedades termodinámicas determinan la evaporación y el gradiente térmico en la atmósfera . Los muchos tipos de precipitación implican una mezcla compleja de procesos como la coalescencia , el superenfriamiento y la sobresaturación . ^{[ 35 ]} Parte del agua precipitada se convierte en agua subterránea , y el flujo de agua subterránea incluye fenómenos como la percolación , mientras que la conductividad del agua hace que los métodos eléctricos y electromagnéticos sean útiles para rastrear el flujo de agua subterránea. Las propiedades físicas del agua, como la salinidad, tienen un gran efecto en su movimiento en los océanos. ^{[ 29 ]}

Las diversas fases del hielo forman la criosfera y se presentan en formas como capas de hielo , glaciares , hielo marino , hielo de agua dulce, nieve y suelo congelado (o permafrost ). ^{[ 36 ]}

Contrariamente a la creencia popular, la Tierra no es completamente esférica, sino que generalmente presenta una forma elipsoidal , resultado de las fuerzas centrífugas que genera debido a su movimiento constante. ^{[ 37 ]} Estas fuerzas provocan que el diámetro del planeta se abulte hacia el ecuador , dando como resultado la forma elipsoidal . ^{[ 37 ] [ 10 ]} La forma de la Tierra cambia constantemente, y diferentes factores, como el rebote isostático glacial (el derretimiento de grandes capas de hielo provoca que la corteza terrestre rebote debido a la liberación de presión ^{[ 38 ]} ), características geológicas como montañas o fosas oceánicas , la dinámica de las placas tectónicas y los desastres naturales , pueden distorsionar aún más la forma del planeta. ^{[ 37 ]}

La evidencia proveniente de la sismología , el flujo de calor en la superficie y la física de los minerales se combina con la masa y el momento de inercia de la Tierra para inferir la composición, la densidad, la temperatura y la presión del interior terrestre. Por ejemplo, la gravedad específica media de la Tierra ( 5,515 ) es mucho mayor que la gravedad específica típica de las rocas en la superficie ( 2,7–3,3 ), lo que implica que el material más profundo es más denso. Esto también se deduce de su bajo momento de inercia ( 0,33 MR² , en comparación con 0,4 ^{MR² para una esfera de densidad constante )} . Sin embargo, parte del aumento de densidad se debe a la compresión bajo las enormes presiones en el interior de la Tierra. El efecto de la presión se puede calcular utilizando la ecuación de Adams-Williamson . La conclusión es que la presión por sí sola no puede explicar el aumento de densidad. En cambio, sabemos que el núcleo terrestre está compuesto por una aleación de hierro y otros minerales. ^{[ 8 ]}

Las reconstrucciones de ondas sísmicas en el interior profundo de la Tierra muestran que no hay ondas S en el núcleo externo. Esto indica que el núcleo externo es líquido, ya que los líquidos no pueden soportar esfuerzos cortantes. El núcleo externo es líquido, y el movimiento de este fluido altamente conductor genera el campo terrestre. El núcleo interno de la Tierra , sin embargo, es sólido debido a la enorme presión. ^{[ 11 ]}

La reconstrucción de las reflexiones sísmicas en el interior profundo indica algunas discontinuidades importantes en las velocidades sísmicas que delimitan las principales zonas de la Tierra: núcleo interno , núcleo externo , manto, litosfera y corteza . El manto se divide en manto superior , zona de transición, manto inferior y capa D'' . Entre la corteza y el manto se encuentra la discontinuidad de Mohorovičić . ^{[ 11 ]}

El modelo sísmico de la Tierra no determina por sí solo la composición de las capas. Para un modelo completo de la Tierra, se necesita la física de los minerales para interpretar las velocidades sísmicas en función de la composición. Las propiedades de los minerales dependen de la temperatura, por lo que también debe determinarse la geotermia . Esto requiere la teoría física de la conducción y convección térmica , así como la contribución de calor de los elementos radiactivos . El modelo principal para la estructura radial del interior de la Tierra es el modelo preliminar de referencia de la Tierra (PREM). Algunas partes de este modelo se han actualizado con hallazgos recientes en física de los minerales (véase post-perovskita ) y se han complementado con tomografía sísmica . El manto está compuesto principalmente de silicatos , y los límites entre las capas del manto son consistentes con transiciones de fase. ^{[ 8 ]}

El manto terrestre se comporta como un sólido ante las ondas sísmicas, pero bajo altas presiones y temperaturas, se deforma de tal manera que, a lo largo de millones de años, se comporta como un líquido. Esto hace posible la tectónica de placas .

Si el campo magnético de un planeta es lo suficientemente fuerte, su interacción con el viento solar forma una magnetosfera. Las primeras sondas espaciales cartografiaron las dimensiones generales del campo magnético terrestre, que se extiende aproximadamente 10 radios terrestres hacia el Sol. El viento solar, una corriente de partículas cargadas, fluye alrededor del campo magnético terrestre y continúa detrás de la cola magnética , cientos de radios terrestres aguas abajo. Dentro de la magnetosfera, existen regiones relativamente densas de partículas de viento solar llamadas cinturones de radiación de Van Allen. ^{[ 21 ]}

Las mediciones geofísicas generalmente se realizan en un momento y lugar específicos. Las mediciones precisas de posición, junto con la deformación terrestre y la gravedad, son competencia de la geodesia . Si bien la geodesia y la geofísica son campos distintos, están tan estrechamente relacionadas que muchas organizaciones científicas, como la Unión Geofísica Americana , la Unión Geofísica Canadiense y la Unión Internacional de Geodesia y Geofísica , las abarcan. ^{[ 39 ]}

Las posiciones absolutas se determinan con mayor frecuencia mediante el sistema de posicionamiento global (GPS). Se calcula una posición tridimensional utilizando mensajes de cuatro o más satélites visibles y referenciándola al Sistema de Referencia Geodésica de 1980. Una alternativa, la astronomía óptica , combina coordenadas astronómicas y el vector de gravedad local para obtener coordenadas geodésicas. Este método solo proporciona la posición en dos coordenadas y es más difícil de usar que el GPS. Sin embargo, es útil para medir movimientos de la Tierra como la nutación y la oscilación de Chandler . Las posiciones relativas de dos o más puntos se pueden determinar mediante interferometría de muy larga base . ^{[ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]}

Las mediciones de gravedad se incorporaron a la geodesia porque eran necesarias para relacionar las mediciones en la superficie de la Tierra con el sistema de coordenadas de referencia. Las mediciones de gravedad en tierra se pueden realizar utilizando gravímetros desplegados en la superficie o en sobrevuelos de helicópteros. Desde la década de 1960, el campo gravitatorio de la Tierra se ha medido analizando el movimiento de los satélites. El nivel del mar también se puede medir mediante satélites utilizando altimetría radar , lo que contribuye a un geoide más preciso . ^{[ 39 ]} En 2002, la NASA lanzó el Experimento de Recuperación de la Gravedad y el Clima (GRACE), en el que dos satélites gemelos mapean las variaciones en el campo gravitatorio de la Tierra realizando mediciones de la distancia entre los dos satélites utilizando GPS y un sistema de medición de distancia por microondas. Las variaciones de gravedad detectadas por GRACE incluyen aquellas causadas por cambios en las corrientes oceánicas; escorrentía y agotamiento de aguas subterráneas; derretimiento de capas de hielo y glaciares. ^{[ 42 ]}

Los satélites en el espacio han permitido recopilar datos no solo de la región de la luz visible, sino también de otras áreas del espectro electromagnético . Los planetas se caracterizan por sus campos de fuerza: la gravedad y sus campos magnéticos , que se estudian mediante la geofísica y la física espacial.

La medición de los cambios en la aceleración que experimentan las naves espaciales durante sus órbitas ha permitido cartografiar con precisión los campos gravitatorios de los planetas. Por ejemplo, en la década de 1970, se midieron las perturbaciones del campo gravitatorio sobre los mares lunares mediante orbitadores lunares , lo que condujo al descubrimiento de concentraciones de masa, denominadas mascones , bajo las cuencas de Imbrium , Serenitatis , Crisium , Nectaris y Humorum . ^{[ 43 ]}

Dado que la geofísica se ocupa de la forma de la Tierra y, por extensión, del mapeo de las características alrededor y dentro del planeta, las mediciones geofísicas incluyen mediciones GPS de alta precisión. Estas mediciones se procesan para aumentar su precisión mediante el procesamiento diferencial de GPS . Una vez procesadas e invertidas las mediciones geofísicas, los resultados interpretados se representan gráficamente utilizando SIG. Programas como ArcGIS y Geosoft se crearon para satisfacer estas necesidades e incluyen muchas funciones geofísicas integradas, como la continuación ascendente y el cálculo de la derivada de la medición , como la primera derivada vertical. ^{[ 9 ] [ 10 ] [ 44 ]} Muchas empresas de geofísica han diseñado programas geofísicos propios que son anteriores a ArcGIS y GeoSoft para satisfacer los requisitos de visualización de un conjunto de datos geofísicos.

La geofísica de exploración es una rama de la geofísica aplicada que implica el desarrollo y utilización de diferentes métodos sísmicos o electromagnéticos con el objetivo de investigar diferentes recursos de energía, minerales y agua. ^{[ 45 ]} Esto se hace a través del uso de varias plataformas de teledetección, tales como: satélites , aeronaves , barcos , drones , equipos de detección de pozos y receptores sísmicos . Estos equipos se utilizan a menudo junto con diferentes métodos geofísicos como métodos magnéticos , gravimétricos , electromagnéticos , radiométricos y barométricos para recopilar datos. Las plataformas de teledetección utilizadas en la geofísica de exploración no son perfectas y necesitan ajustes para tener en cuenta con precisión los efectos que la propia plataforma puede tener en los datos recopilados. Por ejemplo, cuando se recopilan datos aeromagnéticos (datos magnéticos recopilados por aeronaves) utilizando una aeronave convencional de ala fija, la plataforma debe ajustarse para tener en cuenta las corrientes electromagnéticas que puede generar al pasar a través del campo magnético terrestre . ^{[ 9 ]} También hay correcciones relacionadas con los cambios en la intensidad del campo potencial medido a medida que la Tierra rota, a medida que la Tierra orbita alrededor del Sol y a medida que la Luna orbita alrededor de la Tierra. ^{[ 9 ] [ 44 ]}

Las mediciones geofísicas suelen registrarse como series temporales con localización GPS . El procesamiento de señales implica la corrección de los datos de series temporales para eliminar el ruido o los errores no deseados introducidos por la plataforma de medición, como las vibraciones de las aeronaves en los datos de gravedad. También implica la reducción de las fuentes de ruido, como las correcciones diurnas en los datos magnéticos. ^{[ 9 ] [ 44 ]} En los datos sísmicos, electromagnéticos y gravimétricos, el procesamiento continúa después de las correcciones de errores para incluir la geofísica computacional, que da como resultado la interpretación final de los datos geofísicos en una interpretación geológica de las mediciones geofísicas. ^{[ 9 ] [ 44 ]}

La brújula magnética existía en China ya en el siglo IV a. C. Se utilizaba tanto para el feng shui como para la navegación terrestre. No fue hasta que se pudieron forjar buenas agujas de acero que las brújulas se utilizaron para la navegación marítima; antes de eso, no podían conservar su magnetismo el tiempo suficiente para ser útiles. La primera mención de una brújula en Europa data del año 1190 d. C. ^{[ 49 ]}

Hacia el año 240 a. C., Eratóstenes de Cirene dedujo que la Tierra era redonda y midió su circunferencia con gran precisión. ^{[ 50 ]} Desarrolló un sistema de latitud y longitud . ^{[ 51 ]}

Quizás la primera contribución a la sismología fue la invención del sismoscopio por el prolífico inventor Zhang Heng en el año 132 d. C. ^{[ 52 ]} Este instrumento fue diseñado para dejar caer una bola de bronce desde la boca de un dragón a la boca de un sapo. Observando cuál de los ocho sapos tenía la bola, se podía determinar la dirección del terremoto. Pasaron 1571 años antes de que se publicara en Europa el primer diseño de un sismoscopio, obra de Jean de la Hautefeuille . Nunca se construyó. ^{[ 53 ]}

El siglo XVII tuvo hitos importantes que marcaron el comienzo de la ciencia moderna. En 1600, William Gilbert publicó De Magnete (1600), donde realizó una serie de experimentos con imanes naturales (llamados «piedras imán ») y hierro magnetizado artificialmente. ^{[ 54 ]} Sus experimentos llevaron a observaciones que involucraban una pequeña aguja de brújula ( versorium ) que replicaba comportamientos magnéticos al ser sometida a un imán esférico, además de experimentar « caídas magnéticas » cuando se hacía girar sobre un eje horizontal. ^{[ 54 ]} Sus hallazgos llevaron a la deducción de que las brújulas apuntan al norte debido a que la Tierra misma es un imán gigante. ^{[ 54 ]}

En 1687, Isaac Newton publicó su obra titulada Principia , que fue fundamental para el desarrollo de campos científicos modernos como la astronomía y la física . ^{[ 55 ]} En ella, Newton sentó las bases de la mecánica clásica y la gravitación , y explicó diversos fenómenos geofísicos como la precesión del equinoccio (la órbita de patrones estelares completos a lo largo de un eje de la eclíptica ). ^{[ 56 ]} La teoría de la gravedad de Newton tuvo tanto éxito que cambió el objetivo principal de la física en aquella época: desentrañar las fuerzas fundamentales de la naturaleza y su caracterización en leyes. ^{[ 55 ]}

El primer sismómetro , un instrumento capaz de mantener un registro continuo de la actividad sísmica, fue construido por James Forbes en 1844. ^{[ 53 ]}