Geofísica

La geofísica es un tema de las ciencias naturales relacionado con los procesos físicos y las propiedades físicas de la Tierra y su entorno espacial circundante, y el uso de métodos cuantitativos para su análisis. El término geofísica a veces se refiere solo a aplicaciones de tierra sólida: la forma de la Tierra; sus campos gravitatorio y magnético; su estructura interna y composición; su dinámica y su expresión superficial en la tectónica de placas, la generación de magmas, el vulcanismo y la formación de rocas.Sin embargo, las organizaciones geofísicas modernas y los científicos puros utilizan una definición más amplia que incluye el ciclo del agua, incluidos la nieve y el hielo; dinámica de fluidos de los océanos y la atmósfera; electricidad y magnetismo en la ionosfera y magnetosfera y física solar-terrestre; y problemas análogos asociados con la Luna y otros planetas.

Aunque la geofísica solo se reconoció como una disciplina separada en el siglo XIX, sus orígenes se remontan a la antigüedad. Las primeras brújulas magnéticas se fabricaron con imanes, mientras que las brújulas magnéticas más modernas jugaron un papel importante en la historia de la navegación. El primer instrumento sísmico se construyó en el año 132 d.C. Isaac Newton aplicó su teoría de la mecánica a las mareas ya la precesión del equinoccio; y se desarrollaron instrumentos para medir la forma, la densidad y el campo de gravedad de la Tierra, así como los componentes del ciclo del agua. En el siglo XX se desarrollaron métodos geofísicos para la exploración remota de la Tierra sólida y el océano, y la geofísica jugó un papel fundamental en el desarrollo de la teoría de la tectónica de placas.

La geofísica se aplica a las necesidades de la sociedad, como los recursos minerales, la mitigación de los peligros naturales y la protección del medio ambiente. En la geofísica de exploración, los datos de estudios geofísicos se utilizan para analizar posibles depósitos de petróleo y minerales, ubicar aguas subterráneas, encontrar reliquias arqueológicas, determinar el espesor de los glaciares y suelos, y evaluar sitios para la remediación ambiental.

Fenomeno fisico

La geofísica es un tema altamente interdisciplinario, y los geofísicos contribuyen a todas las áreas de las ciencias de la Tierra. Para brindar una idea más clara de lo que constituye la geofísica, esta sección describe los fenómenos que se estudian en la física y cómo se relacionan con la Tierra y su entorno. En Geofísica, los principios de la Física se aplican para estudiar el "Interior" de la Tierra. Dependiendo del problema en estudio, uno tiene que decidir qué método se debe aplicar. por ejemplo, para estudios de aguas subterráneas, el método eléctrico es útil. Para los yacimientos minerales, se pueden adoptar levantamientos gravimétricos y/o magnéticos. Para Petróleo y Gas Natural, uno tiene que llevar a cabo estudios magnéticos y de gravedad para tener una idea aproximada de la estructura de las formaciones rocosas. Si la estructura deseada existe, para un estudio detallado de las formaciones rocosas,

Gravedad

La atracción gravitacional de la Luna y el Sol da lugar a 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.

Las fuerzas gravitatorias hacen que las rocas presionen las rocas más profundas, aumentando su densidad a medida que aumenta la profundidad. Las mediciones de la aceleración gravitatoria y el potencial gravitatorio en la superficie de la Tierra y por encima de ella se pueden utilizar para buscar depósitos minerales (ver anomalía de la gravedad y gravimetría). El campo gravitatorio 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 pudieran extenderse a través de los continentes (como con canales muy estrechos).

Flujo de calor

La Tierra se está enfriando y el flujo de calor resultante genera el campo magnético de la Tierra a través de la geodinamo y la tectónica de placas a través de la convección del manto. Las principales fuentes de calor son el calor primordial y la radiactividad, aunque también hay contribuciones de transiciones de fase. El calor se lleva principalmente a la superficie por convección térmica, aunque hay dos capas límite térmicas, el límite entre el núcleo y el manto y la litosfera, en las que el calor se transporta por conducción. Las plumas del manto transportan algo de calor desde la parte inferior del manto. El flujo de calor en la superficie de la Tierra es de aproximadamente 4,2 × 10 W y es una fuente potencial de energía geotérmica.

Vibraciones

Las ondas sísmicas son vibraciones que viajan por el interior de la Tierra oa lo largo de su superficie. La Tierra entera también puede oscilar en formas que se denominan modos normales u oscilaciones libres de la Tierra. Los movimientos de tierra de las olas o los modos normales se miden usando sismógrafos. Si las ondas provienen de una fuente localizada, como un terremoto o una explosión, se pueden usar mediciones en más de un lugar para ubicar la fuente. Las ubicaciones de los terremotos proporcionan información sobre la tectónica de placas y la convección del manto.

El registro de ondas sísmicas de fuentes controladas proporciona información sobre la región por la que viajan las ondas. Si la densidad o la composición de la roca cambia, las ondas se reflejan. Los reflejos registrados utilizando Reflection Seismology pueden proporcionar una gran cantidad de información sobre la estructura de la tierra hasta varios kilómetros de profundidad y se utilizan para aumentar nuestra comprensión de la geología, así como para explorar en busca de petróleo y gas. Los cambios en la dirección de viaje, llamados refracción, se pueden utilizar para inferir la estructura profunda de la Tierra.

Los terremotos representan un riesgo para los humanos. Comprender sus mecanismos, que dependen del tipo de terremoto (p. ej., intraplaca o foco profundo), puede conducir a mejores estimaciones del riesgo sísmico y mejoras en la ingeniería sísmica.

Electricidad

Aunque principalmente notamos la electricidad durante las tormentas eléctricas, siempre hay un campo eléctrico hacia abajo cerca de la superficie que tiene un promedio de 120 voltios por metro. En relación con la Tierra sólida, la atmósfera tiene una carga neta positiva debido al bombardeo de rayos cósmicos. En el circuito global fluye una corriente de unos 1800 amperios. Fluye hacia abajo desde la ionosfera sobre la mayor parte de la Tierra y de regreso hacia arriba a través de tormentas eléctricas. El flujo se manifiesta mediante rayos debajo de las nubes y sprites arriba.

Una variedad de métodos eléctricos se utilizan en estudios geofísicos. 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 de origen externo variable en el tiempo y el movimiento de los cuerpos conductores (como el agua de mar) a través del campo magnético permanente de la Tierra. La distribución de la densidad de corriente telúrica se puede utilizar para detectar variaciones en la resistividad eléctrica de estructuras subterráneas. Los geofísicos también pueden proporcionar ellos mismos la corriente eléctrica (ver polarización inducida y tomografía de resistividad eléctrica).

Ondas electromagnéticas

Las ondas electromagnéticas se producen en la ionosfera y la magnetosfera, así como en el núcleo exterior de la Tierra. Se cree que el coro 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 la caída de rayos. Ambos pueden generar un silbido. Los terremotos también pueden generar ondas electromagnéticas (ver sismo-electromagnético).

En el hierro líquido altamente conductivo del núcleo externo, las corrientes eléctricas generan campos magnéticos a través de la inducción electromagnética. Las ondas de Alfvén son ondas magnetohidrodinámicas en la magnetosfera o el núcleo de la Tierra. En el núcleo, probablemente tengan poco efecto observable en el campo magnético de la Tierra, pero las ondas más lentas, como las ondas magnéticas de Rossby, pueden ser una fuente de variación secular geomagnética.

Los métodos electromagnéticos que se utilizan para estudios geofísicos incluyen electromagnetismo transitorio, magnetotelúricos, resonancia magnética nuclear de superficie y registro electromagnético del lecho marino.

Magnetismo

El campo magnético de la Tierra protege a la Tierra del viento solar mortal y se ha utilizado durante mucho tiempo para la navegación. Se origina en los movimientos fluidos del núcleo externo. El campo magnético en la atmósfera superior da lugar a las auroras.

El campo de la Tierra es más o menos como un dipolo inclinado, pero cambia con el tiempo (un fenómeno llamado variación secular geomagnética). En su mayoría, el polo geomagnético permanece cerca del polo geográfico, pero a intervalos aleatorios con un promedio de 440.000 a un millón de años, la polaridad del campo de la Tierra se invierte. Estas inversiones geomagnéticas, analizadas dentro de 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, con la breve inversión completa más reciente del evento de Laschamp que ocurrió hace 41 000 años durante el último período glacial. Los geólogos observaron la inversión geomagnética registrada en las rocas volcánicas, a través de la correlación magnetoestratigráfica (ver magnetización remanente natural) y su firma se puede ver como rayas anómalas magnéticas lineales paralelas en el lecho marino. Estas franjas proporcionan información cuantitativa sobre la expansión del fondo marino, una parte de la tectónica de placas. Son la base de la magnetoestratigrafía, que correlaciona las inversiones magnéticas con otras estratigrafías para construir escalas de tiempo geológico.Además, la magnetización de las rocas se puede utilizar para medir el movimiento de los continentes.

Radioactividad

La descomposición radiactiva representa aproximadamente el 80% del calor interno de la Tierra, lo que alimenta la geodinamo y la tectónica de placas. Los principales isótopos productores de calor son el potasio-40, el uranio-238, el uranio-235 y el torio-232. 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 diferentes isótopos cubren varios órdenes de magnitud, por lo que la desintegración radiactiva se puede utilizar para fechar con precisión eventos recientes y eventos en eras geológicas pasadas. El mapeo radiométrico que utiliza espectrometría gamma terrestre y aérea se puede utilizar para mapear la concentración y distribución de radioisótopos cerca de la superficie de la Tierra, lo cual es útil para mapear la litología y la alteración.

Dinámica de fluidos

Los movimientos de fluidos ocurren en la magnetosfera, la atmósfera, el océano, el manto y el núcleo. Incluso el manto, aunque tiene una enorme viscosidad, fluye como un fluido durante largos intervalos de tiempo. Este flujo se refleja en fenómenos como la isostasia, el rebote posglacial y las plumas del manto. El flujo del manto impulsa la tectónica de placas y el flujo en el núcleo de la Tierra impulsa la geodinamo.

La dinámica de fluidos geofísicos es una herramienta principal en oceanografía física y meteorología. La rotación de la Tierra tiene efectos profundos en la dinámica de fluidos de la Tierra, 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, impulsan patrones de circulación a gran escala, así como ondas de Kelvin y espirales de Ekman en la superficie del océano. En el núcleo de la Tierra, la circulación del hierro fundido está estructurada por columnas de Taylor.

Las ondas y otros fenómenos en la magnetosfera se pueden modelar usando magnetohidrodinámica.

Física de minerales

Las propiedades físicas de los minerales deben entenderse 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 fase de alta presión, puntos de fusión y ecuaciones de estado a alta presión; y las propiedades reológicas de las rocas, o su capacidad para fluir. La deformación de las rocas por fluencia hace posible el flujo, aunque en tiempos cortos las rocas se vuelven quebradizas. 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.

El agua es una sustancia muy compleja y sus propiedades únicas son esenciales para la vida. Sus propiedades físicas dan forma a la hidrosfera y son una parte esencial del ciclo del agua y el 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 sobreenfriamiento y la sobresaturación. Parte del agua precipitada se convierte en agua subterránea, y el flujo de agua subterránea incluye fenómenos como la filtración, 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.

Las muchas 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).

Regiones de la Tierra

Tamaño y forma de la Tierra

La Tierra es más o menos esférica, pero sobresale hacia el ecuador, por lo que tiene aproximadamente la forma de un elipsoide (ver Elipsoide de la Tierra). Este abultamiento se debe a su rotación y es casi consistente con una Tierra en equilibrio hidrostático. Sin embargo, la forma detallada de la Tierra también se ve afectada por la distribución de los continentes y las cuencas oceánicas y, en cierta medida, por la dinámica de las placas.

Estructura del interior

La evidencia de la sismología, el flujo de calor en la superficie y la física mineral se combina con la masa y el momento de inercia de la Tierra para inferir modelos del interior de la Tierra: su composición, densidad, temperatura, presión. 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 está implícito en su bajo momento de inercia ( 0,33 MR, en comparación con 0,4 MRpara una esfera de densidad constante). Sin embargo, parte del aumento de densidad es compresión bajo las enormes presiones dentro 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 la densidad. En cambio, sabemos que el núcleo de la Tierra está compuesto por una aleación de hierro y otros minerales.

Las reconstrucciones de ondas sísmicas en el interior profundo de la Tierra muestran que no hay ondas S en el núcleo exterior. Esto indica que el núcleo exterior es líquido, porque los líquidos no pueden soportar el corte. El núcleo externo es líquido y el movimiento de este fluido altamente conductor genera el campo de la Tierra. El núcleo interno de la Tierra, sin embargo, es sólido debido a la enorme presión.

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 en sí 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.

El modelo sísmico de la Tierra no determina por sí mismo la composición de las capas. Para un modelo completo de la Tierra, se necesita física mineral para interpretar las velocidades sísmicas en términos de composición. Las propiedades de los minerales dependen de la temperatura, por lo que también se debe determinar la geotermia. Esto requiere teoría física para la conducción y convección térmica y la contribución de calor de los elementos radiactivos. El modelo principal para la estructura radial del interior de la Tierra es el modelo terrestre de referencia preliminar (PREM). Algunas partes de este modelo han sido actualizadas por hallazgos recientes en física mineral (ver post-perovskita) y complementadas con tomografía sísmica. El manto está compuesto principalmente de silicatos y los límites entre las capas del manto son consistentes con las transiciones de fase.

El manto actúa como un sólido para las ondas sísmicas, pero bajo altas presiones y temperaturas se deforma de manera que durante millones de años actúa como un líquido. Esto hace posible la tectónica de placas.

Magnetosfera

Si el campo magnético de un planeta es lo suficientemente fuerte, su interacción con el viento solar forma una magnetosfera. Las primeras sondas espaciales trazaron un mapa de las dimensiones brutas del campo magnético de la Tierra, que se extiende unos 10 radios terrestres hacia el Sol. El viento solar, una corriente de partículas cargadas, fluye fuera y alrededor del campo magnético terrestre y continúa detrás de la cola magnética, cientos de radios terrestres río abajo. Dentro de la magnetosfera, hay regiones relativamente densas de partículas de viento solar llamadas cinturones de radiación de Van Allen.

Métodos

Geodesia

Las mediciones geofísicas son generalmente en un momento y lugar particular. Las mediciones precisas de la posición, junto con la deformación de la tierra y la gravedad, son competencia de la geodesia. Si bien la geodesia y la geofísica son campos separados, los dos están tan estrechamente conectados que muchas organizaciones científicas como la Unión Geofísica Estadounidense, la Unión Geofísica Canadiense y la Unión Internacional de Geodesia y Geofísica abarcan ambos.

Las posiciones absolutas se determinan con mayor frecuencia utilizando el sistema de posicionamiento global (GPS). Una posición tridimensional se calcula usando mensajes de cuatro o más satélites visibles y se refiere al Sistema de Referencia Geodésico 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 los movimientos de la Tierra, como la nutación y el bamboleo de Chandler. Las posiciones relativas de dos o más puntos se pueden determinar usando interferometría de línea de base muy larga.

Las mediciones de gravedad se convirtieron en parte de 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 la gravedad en tierra se pueden realizar utilizando gravímetros desplegados en la superficie o en sobrevuelos de helicópteros. Desde la década de 1960, el campo de gravedad de la Tierra se ha medido analizando el movimiento de los satélites. El nivel del mar también se puede medir mediante satélites que utilizan altimetría de radar, lo que contribuye a un geoide más preciso.En 2002, la NASA lanzó Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE), en el que dos satélites gemelos mapean variaciones en el campo gravitatorio de la Tierra midiendo la distancia entre los dos satélites usando GPS y un sistema de rango de microondas. Las variaciones de gravedad detectadas por GRACE incluyen aquellas causadas por cambios en las corrientes oceánicas; escorrentía y agotamiento de las aguas subterráneas; derretimiento de capas de hielo y glaciares.

Satélites y sondas espaciales

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

La medición de los cambios en la aceleración que experimentan las naves espaciales a medida que orbitan ha permitido cartografiar detalles finos de los campos de gravedad de los planetas. Por ejemplo, en la década de 1970, las perturbaciones del campo de gravedad sobre el maria lunar se midieron a través de orbitadores lunares, lo que condujo al descubrimiento de concentraciones de masa, mascons, debajo de las cuencas Imbrium, Serenitatis, Crisium, Nectaris y Humorum.

Historia

La geofísica surgió como una disciplina separada solo en el siglo XIX, a partir de la intersección de la geografía física, la geología, la astronomía, la meteorología y la física. Sin embargo, muchos fenómenos geofísicos, como el campo magnético terrestre y los terremotos, se han investigado desde la antigüedad.

Eras antiguas y clásicas

La brújula magnética existió en China desde el siglo IV a. Se utilizaba tanto para el feng shui como para la navegación por tierra. No fue hasta que se pudieron forjar buenas agujas de acero que las brújulas se utilizaron para la navegación en el mar; antes de eso, no podían retener su magnetismo el tiempo suficiente para ser útiles. La primera mención de una brújula en Europa fue en 1190 AD.

Alrededor del 240 a. C., Eratóstenes de Cirene dedujo que la Tierra era redonda y midió la circunferencia de la Tierra con gran precisión. Desarrolló un sistema de latitud y longitud.

Quizás la primera contribución a la sismología fue la invención de un sismoscopio por parte del prolífico inventor Zhang Heng en el año 132 d.C. Este instrumento fue diseñado para dejar caer una bola de bronce de la boca de un dragón a la boca de un sapo. Al observar cuál de los ocho sapos tenía la pelota, se podía determinar la dirección del terremoto. Fue 1571 años antes de que se publicara en Europa el primer diseño de un sismoscopio, por Jean de la Hautefeuille. Nunca se construyó.

Comienzos de la ciencia moderna.

Una de las publicaciones que marcó el comienzo de la ciencia moderna fue De Magnete (1600) de William Gilbert, un informe de una serie de meticulosos experimentos en magnetismo. Gilbert dedujo que las brújulas apuntan al norte porque la Tierra misma es magnética.

En 1687, Isaac Newton publicó sus Principia, que no solo sentó las bases de la mecánica clásica y la gravitación, sino que también explicó una variedad de fenómenos geofísicos como las mareas y la precesión del equinoccio.

El primer sismómetro, un instrumento capaz de llevar un registro continuo de la actividad sísmica, fue construido por James Forbes en 1844.