Geofísica

Grandes inventos: Geofísica

Géiser en Rotorua, Nueva Zelanda

Esta ciudad, perteneciente a la isla del Norte neozelandesa, es un importante centro turístico, principalmente por su balneario, situado en una zona de lagos y fuentes termales naturales. En la imagen, unos turistas disfrutan del espectacular géiser Pohutu.

Geofísica, rama de la ciencia que aplica los principios físicos al estudio de la Tierra. Los geofísicos examinan los fenómenos naturales y sus relaciones en el interior terrestre; entre ellos se encuentran el campo magnético terrestre, los flujos de calor, la propagación de ondas sísmicas y la fuerza de la gravedad. El campo de la geofísica, tomada en un sentido amplio, estudia también los fenómenos extraterrestres que influyen sobre la Tierra, a veces de forma sutil, y las manifestaciones de la radiación cósmica y del viento solar.

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ÁREAS DE ESTUDIO

La subdivisión del amplio tema de la geofísica en varias ramas requiere la clasificación de las distintas tareas. Sin embargo, en un sentido estricto, esta disciplina abarca todos los campos dedicados a la investigación del interior de la Tierra, de su atmósfera, de su hidrosfera (el agua) y de su ionosfera (atmósfera superior ionizada). Se incluyen campos relacionados en las descripciones siguientes.

2.1

Física de la Tierra sólida

La estructura interna de la Tierra

Abarca todos los temas dedicados al interior de la Tierra; implica el estudio del comportamiento de la materia terrestre desde la corteza al núcleo, en particular el relacionado con el tamaño, la forma, la gravedad, el magnetismo y la sismicidad de la Tierra. El campo especializado de la geodesia está concernido por la determinación de la forma y del tamaño de la Tierra y por la localización de puntos particulares sobre su superficie. En este estudio están implicados la determinación del campo gravitatorio y la observación de cambios en la rotación terrestre, en la situación de los polos y en las mareas. Dos nuevas técnicas para la realización de las medidas geodésicas, la interferometría lejana (VLBI) y el alineado láser con satélite (SLR), han sido usadas para determinar, con una precisión de milímetros, las velocidades con las que los continentes se separan o se acercan unos de otros. Véase Tectónica de placas.

2.2

Magnetismo terrestre

Campo magnético terrestre

Un fuerte campo magnético rodea la Tierra, como si el planeta contuviera una barra magnética enorme en su interior. Los científicos creen que las corrientes de convección de metal fundido cargado que circulan en el núcleo de la Tierra son las fuentes de este campo magnético.

El geomagnetismo estudia los fenómenos magnéticos que aparecen en la Tierra y en su atmósfera. La generación de los campos magnéticos parece estar relacionada con el movimiento de materia fluida conductora de electricidad en el interior de la Tierra, de tal forma que el planeta actúa como una dinamo autoexcitada. La materia conductora y el campo geomagnético podrían estar controlándose mutuamente. El estudio de este problema se conoce como magnetohidrodinámica o hidromagnetismo. El estudio de como el campo magnético ha cambiado a lo largo de la historia terrestre, llamado paleomagnetismo, ha suministrado las primeras pruebas sólidas de la teoría de la tectónica de placas.

2.3

La gravedad y las mareas

Mareas

La gravedad (gravitación) es la fuerza atractiva ejercida por la masa terrestre. El gradiente del potencial gravitatorio —la fuerza de la gravedad— es perpendicular a la superficie de la Tierra, por tanto la fuerza es vertical. Los gravímetros son balanzas muy sensibles usadas para realizar medidas relativas de gravedad. Las diferencias medidas, provocadas por variaciones en la densidad de la Tierra, se llaman anomalías de Bouguer.

La rotación de la Tierra entre los campos gravitatorios de la Luna y del Sol imponen cambios periódicos en el potencial de cualquier punto del planeta. Las mareas son el efecto más visible; además de las mareas marinas, se producen mareas en la Tierra en forma de pequeñas deformaciones de la corteza.

2.4

Sismología

Una mejor comprensión de la actividad sísmica ha sido posible con el descubrimiento de que los grandes terremotos se producen por el movimiento de las placas tectónicas de la Tierra. Además, casi todo lo que podemos suponer sobre el manto y el núcleo terrestre se ha deducido por el análisis del paso de ondas sísmicas por el centro de la Tierra. En esta década, los geofísicos han hecho grandes avances en la comprensión de la corteza y del manto superior, una zona llamada litosfera. Los logros más importantes en la investigación de esta zona han sido posibles gracias al uso de una técnica sonar desarrollada originalmente en sismología para encontrar petróleo y gas, llamada perfilado sísmico por reflexión.

2.5

Hidrología

El ciclo del agua

El ciclo hidrológico consta de 4 etapas: almacenamiento, evaporación, precipitación y escorrentía. El agua se almacena en océanos y lagos, en ríos y arroyos, y en el suelo. La evaporación, incluida la transpiración que realizan las plantas, transforma el agua en vapor de agua. La precipitación tiene lugar cuando el vapor de agua presente en la atmósfera se condensa y cae a la Tierra en forma de lluvia, nieve o granizo. El agua de escorrentía incluye la que fluye en ríos y arroyos, y bajo la superficie del terreno (agua subterránea).

Es la ciencia principal que estudia las aguas continentales sobre y bajo la superficie terrestre y en la atmósfera. La circulación constante de agua desde la tierra y el mar a través de la biosfera y de la atmósfera por evaporación, por evapotranspiración (perdida de agua de los suelos por evaporación y por transpiración en las plantas), por precipitación y en corrientes, constituye el ciclo hidrológico.

2.6

Vulcanología

Los estudios vulcanológicos se refieren a la erupción en superficie de magma (materia rocosa fundida) y de gas desde el interior de la Tierra y a las estructuras, los depósitos y los terrenos asociados con esta actividad.

Aunque ningún conjunto único de actividades volcánicas indica de forma fiable la aparición de nuevos sucesos, algunos procesos suministran a los geofísicos pistas sobre posibles erupciones futuras de volcanes. Estos fenómenos engloban cambios en la fuerza y en la orientación del campo magnético terrestre, proliferación de microterremotos, incrementos del flujo de calor, a veces detectados por termopares o por fotografías aéreas de infrarrojos, variaciones en las corrientes eléctricas locales en el interior de la Tierra, aumentos de las expulsiones de gas en fumarolas y en respiraderos, y abombamiento de los domos de magma.

2.7

Electricidad terrestre

Las corrientes eléctricas estáticas o alternas que fluyen bajo tierra están inducidas por campos eléctricos o magnéticos, naturales o artificiales. La resistencia eléctrica en las profundidades se mide con sondeos llamados magnetotelúricos. Los geofísicos han determinado gracias a las corrientes inducidas y a las variaciones geomagnéticas que la conductividad generalmente crece con la profundidad.

2.8

Fenómenos atmosféricos

Aurora boreal

Las manifestaciones luminosas llamadas auroras se producen muchas veces en fase con los ciclos de las manchas solares. Suelen producirse en las regiones polares cuando partículas cargadas del Sol interactúan con gases de la atmósfera terrestre. Las moléculas excitadas de gas despiden radiación visible, o luz, a menudo en la zona roja y verde del espectro. Esta muestra de múltiples bandas de auroras fue fotografiada en Fairbanks, Alaska.

La física de la atmósfera baja, donde el aire tiene densidad suficiente como para estar sometido a las leyes de la dinámica de fluidos, es el dominio de la meteorología. En los últimos años, las técnicas de teledetección han empezado a jugar un papel fundamental en el control de las tormentas y de otros fenómenos atmosféricos transitorios, como los relámpagos (véase Rayo).

Los fenómenos de la atmósfera alta son el tema de estudio de la aeronomía y de la física magnetosférica. El campo magnético terrestre reacciona con el viento solar para formar una especie de vaina, llamada magnetosfera, que actúa como una dinamo natural gigante, de más de 100.000 km de lado a lado. Cuando partículas de alta energía llegadas desde el Sol penetran en esta vaina y entran en los cinturones de radiación de Van Allen, se crea el fenómeno llamado aurora boreal.

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PROSPECCIONES GEOFÍSICAS

Camión Vibroseis

Para determinar la estructura de las capas subterráneas de roca, este camión Vibroseis golpea el suelo con una plataforma situada entre sus ruedas. Los golpes crean vibraciones sísmicas, u ondas de cizalla, con una frecuencia dada. Una red de sismómetros llamados geófonos registra el instante de llegada de las ondas.

La exploración geofísica, comúnmente llamada geofísica aplicada o de prospección, busca la localización de acumulaciones de petróleo, de gas natural, de agua subterránea y de otros minerales con importancia económica. Las investigaciones geofísicas también se utilizan en objetivos de ingeniería, como son la predicción del comportamiento de la materia del suelo para la construcción de carreteras, vías de tren, edificios, túneles y plantas de energía nuclear. Las exploraciones se denominan en general como la propiedad que se mide (propiedades eléctricas, gravitatorias, magnéticas, sísmicas, térmicas o radiactivas).

Las exploraciones eléctricas y electromagnéticas miden variaciones en la conductividad y en la capacidad eléctrica de las rocas, y se usan sobre todo para buscar petróleo, gas y metales comunes. Los cambios de conductividad, medidos con instrumentos especiales introducidos en huecos perforados para petróleo y gas, proveen a los geofísicos de pistas con las cuales pueden estimar el potencial de un estrato de roca para contener hidrocarburos. Las corrientes eléctricas continuas y alternas se miden en prospecciones bajo tierra, y las frecuencias de radio más pequeñas se usan tanto en exploraciones electromagnéticas subterráneas como aéreas.

Las exploraciones gravitatorias miden variaciones de densidad en conjuntos locales de roca. Estas prospecciones, usadas sobre todo en la búsqueda de petróleo, se basan en un dispositivo llamado gravímetro. Se hacen en tierra, en el mar y bajo tierra.

En las exploraciones magnéticas, los cambios del campo magnético terrestre se miden en estaciones situadas cerca unas de otras; también se pueden realizar desde el aire, en especial cuando se busca petróleo. Dispositivos llamados magnetómetros, izados por aviones o sobre barcos sísmicos de investigación ayudan a detectar anomalías magnéticas o a diferenciar características geológicas que pueden parecer similares si sólo se usan datos sísmicos.

La medida del tiempo de propagación de ondas sísmicas es una de las técnicas geológicas más comunes entre las usadas en las exploraciones. Las investigaciones sísmicas de campo se dividen entre las de refracción y las de reflexión, según cuales sean las ondas predominantes entre las que viajan en dirección horizontal o vertical. Las primeras se usan en ingeniería geofísica, en prospección petrolífera y para localizar agua subterránea o yacimientos de minerales. Las segundas detectan fronteras entre distintos tipos de rocas, lo que facilita la realización de mapas de estructuras geológicas. La energía sísmica se mide en tierra usando unos instrumentos llamados geófonos que reaccionan a los movimientos en la tierra y en el agua con dispositivos piezométricos que detectan cambios en la presión hidrostática.

Las exploraciones geotérmicas se concentran en las variaciones de temperatura y en la generación, conducción y pérdida de calor en el interior de la Tierra. La geotermometría es también importante en los estudios vulcanológicos tanto como en la localización de fuentes de energía geotérmica.

Las exploraciones de radiactividad, llevadas a cabo en tierra y desde el aire, miden la radiación natural de la Tierra. Los contadores Geiger y de centelleo se usan en la búsqueda de menas de uranio, de metales raros, de potasio y de otros materiales radiactivos.

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ORGANIZACIONES Y PROGRAMAS

Estación científica Neumayer (Antártida)

Las mediciones meteorológicas y geofísicas en el Antártico exigen equipos muy sólidos. La imagen muestra parte de las instalaciones de la estación Neumayer, que se erigió en la parte septentrional del Antártico sobre una imponente plataforma de hielo de casi 200 m de altitud, Ekstroem.

Las organizaciones internacionales más importantes son la Unión Internacional de Geodesia y Geofísica (UIGG), el Consejo Internacional de Uniones Científicas (CIUC), la Sociedad de Geofísicos de Exploración y la Organización Meteorológica Mundial (OMM). Estas organizaciones participan en grandes programas de investigación y de exploración, así como en la recolección y en la publicación de sus resultados.

Los programas de geofísica están destinados a la toma, intercambio, análisis y síntesis de datos de muchos lugares a lo largo de grandes periodos de tiempo. El Año Geofísico Internacional (AGI, 1957- 1958), por ejemplo, fue un programa internacional concentrado en la exploración de las atmósferas solar y terrestre. En 1964-1965 se organizaron los Años Internacionales del Sol sin Actividad para comparar intervalos de actividad solar máxima y mínima y sus efectos sobre los fenómenos terrestres. Entre los programas de geofísica de la tierra sólida de la misma década se encuentran el Consejo Mundial de Exploración Magnética de la UIGG y el Programa del Manto Superior coordinada por el CIUC. La Década Hidrológica Internacional (DHI, 1965-1974) fue promovida por la Organización de las Naciones Unidas para la Educación, la Ciencia y la Cultura (UNESCO) para tratar diversos temas relacionados con el agua, de gran importancia práctica para la humanidad. La Expedición Internacional en el Océano Índico (EIOI, 1961-1966) fue uno de los diversos programas de geofísica oceanográfica. Los programas geológicos de perforación profunda en la corteza terrestre, como el Programa de sondeo oceánico, son también importantes para los geofísicos; el pozo más profundo del mundo —ya tiene más de 12.000 m de profundidad— se está perforando en la península de Kola, en el norte de Rusia. Los datos geodésicos suministrados por los satélites estadounidenses Navstar del Sistema de Posicionamiento Global (GPS) ayudan a realizar medidas sísmicas y de los movimientos de la tectónica de placas. El Vigía Mundial del Clima, programa en curso de ciencia de la atmósfera gestionado por el CIUC y por la OMM, es un sistema global de toma, procesado y distribución de datos al servicio de todos los países. El Programa Global de Investigación Atmosférica (PGIA) es un esfuerzo investigador para la predicción cuantitativa del clima.