Historia de la geofísica

El desarrollo histórico de la geofísica ha estado motivado por dos factores. Uno de ellos es la curiosidad investigadora de la humanidad relacionada con el planeta Tierra y sus diversos componentes, sus acontecimientos y sus problemas. El segundo es el uso económico de los recursos de la Tierra (depósitos de minerales, petróleo, recursos hídricos, etc.) y los peligros relacionados con la Tierra, como terremotos, volcanes, tsunamis, mareas e inundaciones.

Período clásico y observacional

Alrededor del año 240 a. C., Eratóstenes de Cirene midió la circunferencia de la Tierra usando geometría y el ángulo del Sol en más de una latitud en Egipto.

Hay alguna información sobre los terremotos en la Meteorología de Aristóteles, en la Naturalis Historia de Plinio el Viejo y en la Geográfica de Estrabón. Aristóteles y Estrabón registraron observaciones sobre las mareas.

Una explicación natural de los volcanes fue realizada por primera vez por el filósofo griego Empédocles (c. 490-430 a. C.), quien consideró que el mundo se dividía en cuatro fuerzas elementales: tierra, aire, fuego y agua. Sostuvo que los volcanes eran manifestaciones del fuego elemental. Los vientos y los terremotos jugarían un papel clave en las explicaciones de los volcanes. Lucrecio afirmó que el Monte Etna estaba completamente hueco y que los fuegos subterráneos eran impulsados ​​por un viento feroz que circulaba cerca del nivel del mar. Plinio el Viejo señaló que la presencia de terremotos precedía a una erupción. Athanasius Kircher (1602-1680) fue testigo de las erupciones del Monte Etna y Stromboli, luego visitó el cráter del Vesubio y publicó su visión de una Tierra con un fuego central conectado a muchos otros causados ​​por la quema de azufre, betún y carbón.

Período instrumental y analítico

Podría decirse que el primer tratado experimental moderno fue De Magnete (1600) de William Gilbert, en el que 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.

Estos análisis experimentales y matemáticos se aplicaron a varias áreas de la geofísica: la forma, la densidad y el campo de gravedad de la Tierra (Pierre Bouguer, Alexis Clairaut y Henry Cavendish), el campo magnético de la Tierra (Alexander von Humboldt, Edmund Halley y Carl Friedrich Gauss), la sismología (John Milne y Robert Mallet), y la edad, el calor y la radiactividad de la Tierra (Arthur Holmes y William Thomson, primer barón Kelvin).

Hay varias descripciones y discusiones sobre una teoría filosófica del ciclo del agua de Marcus Vitruvius, Leonardo da Vinci y Bernard Palissy. Los pioneros en hidrología incluyen a Pierre Perrault, Edme Mariotte y Edmund Halley en estudios de cosas tales como lluvia, escorrentía, área de drenaje, velocidad, mediciones de la sección transversal del río y caudal. Los avances en el siglo XVIII incluyeron el piezómetro de Daniel Bernoulli y la ecuación de Bernoulli, así como el tubo de Pitot de Henri Pitot. En el siglo XIX, la hidrología de las aguas subterráneas fue promovida por la ley de Darcy, la fórmula de pozos de Dupuit-Thiem y la ecuación de Hagen-Poiseuille para flujos a través de tuberías. Geografía física del mar, el primer libro de texto de oceanografía, fue escrito por Matthew Fontaine Maury en 1855.

El termoscopio, o termómetro de Galileo, fue construido por Galileo Galilei en 1607. En 1643, Evangelista Torricelli inventó el barómetro de mercurio. Blaise Pascal (en 1648) redescubrió que la presión atmosférica disminuye con la altura y dedujo que existe un vacío sobre la atmósfera.

El surgimiento como disciplina

El primer uso conocido de la palabra geofísica fue por Julius Fröbel en 1834 (en alemán). Se usó ocasionalmente en las siguientes décadas, pero no se popularizó hasta que comenzaron a aparecer revistas dedicadas al tema, comenzando con Beiträge zur Geophysik en 1887. La futura Revista de Investigación Geofísica se fundó en 1896 con el título Terrestrial Magnetism. En 1898, se fundó un Instituto Geofísico en la Universidad de Göttingen y Emil Wiechert se convirtió en el primer Presidente de Geofísica del mundo. La fundación de la Unión Internacional de Geodesia y Geofísica en 1919 proporcionó un marco internacional para la geofísica.

Siglo 20

El siglo XX fue una era revolucionaria para la geofísica. Como esfuerzo científico internacional entre 1957 y 1958, el Año Geofísico Internacional o IGY fue uno de los más importantes para la actividad científica de todas las disciplinas de la geofísica: aurora y resplandor del aire, rayos cósmicos, geomagnetismo, gravedad, física ionosférica, determinaciones de longitud y latitud (cartografía de precisión), meteorología, oceanografía, sismología y actividad solar.

El interior de la tierra y la sismología

La determinación de la física del interior de la Tierra fue posible gracias al desarrollo de los primeros sismógrafos en la década de 1880. Con base en el comportamiento de las ondas reflejadas en las capas internas de la Tierra, se desarrollaron varias teorías sobre qué causaría las variaciones en la velocidad de las ondas o la pérdida de ciertas frecuencias. Esto llevó a científicos como Inge Lehmann a descubrir la presencia del núcleo de la Tierra en 1936. Beno Gutenberg y Harold Jeffreys trabajaron para explicar la diferencia en la densidad de la Tierra debido a la compresión y la velocidad de corte de las ondas. Dado que la sismología se basa en ondas elásticas, la velocidad de las ondas podría ayudar a determinar la densidad y, por lo tanto, el comportamiento de las capas dentro de la Tierra.

La nomenclatura para el comportamiento de las ondas sísmicas se elaboró ​​en base a estos hallazgos. Las ondas P y las ondas S se utilizaron para describir dos tipos posibles de ondas de cuerpo elástico. Las ondas de amor y las ondas de Rayleigh se utilizaron para describir dos tipos posibles de ondas superficiales.

Los científicos que han contribuido a los avances en el conocimiento sobre el interior de la Tierra y la sismología incluyen a Emil Wiechert, Beno Gutenberg, Andrija Mohorovičić, Harold Jeffreys, Inge Lehmann, Edward Bullard, Charles Francis Richter, Francis Birch, Frank Press, Hiroo Kanamori y Walter Elsasser.

Un tema muy debatido sobre el interior de la Tierra son las plumas del manto. Se teoriza que estos son magma ascendente, que es responsable de los puntos críticos en el mundo, como Hawai. Originalmente, la teoría era que las plumas del manto se elevaban en un camino directo, pero ahora hay evidencia de que las plumas pueden desviarse en pequeños grados a medida que ascienden. También se descubrió que el punto de acceso propuesto debajo de Yellowstone puede no estar relacionado con una pluma del manto ascendente. Esta teoría no ha sido completamente investigada.

Placas tectónicas

En la segunda mitad del siglo XX, la teoría de la tectónica de placas fue desarrollada por varios colaboradores, incluidos Alfred Wegener, Maurice Ewing, Robert S. Dietz, Harry Hammond Hess, Hugo Benioff, Walter C. Pitman, III, Frederick Vine, Drummond Matthews, Keith Runcorn, Bryan L. Isacks, Edward Bullard, Xavier Le Pichon, Dan McKenzie, W. Jason Morgan y John Tuzo Wilson. Antes de esto, la gente tenía ideas sobre la deriva continental, pero no hubo evidencia real hasta finales del siglo XX. Alexander von Humboldt observó a principios del siglo XIX la geometría y geología de las costas de los continentes del Océano Atlántico.James Hutton y Charles Lyell introdujeron la idea del cambio gradual, el uniformismo, que ayudó a las personas a hacer frente a la lenta deriva de los continentes. Alfred Wegener encabezó la teoría original de la deriva continental y dedicó gran parte de su vida a esta teoría. Propuso "Pangea", un continente gigante unificado.

Durante el desarrollo de la teoría de la deriva continental, no hubo mucha exploración de la parte oceánica del mundo, solo continental. Una vez que la gente comenzó a prestar atención al océano, los geólogos descubrieron que el suelo se estaba extendiendo, y en diferentes proporciones en diferentes lugares. Hay tres formas principales en las que las placas se pueden mover: transformadas, divergentes y convergentes. Además, puede haber grietas, áreas donde la tierra comienza a separarse.

Oceanografía

Los avances en la oceanografía física ocurrieron en el siglo XX. La profundidad del mar mediante mediciones acústicas se realizó por primera vez en 1914. La expedición alemana "Meteor" reunió 70 000 mediciones de la profundidad del océano utilizando una ecosonda, inspeccionando la Dorsal del Atlántico Medio entre 1925 y 1927. La Gran Grieta Global fue descubierta por Maurice Ewing y Bruce Heezen en 1953, y la cordillera bajo el Ártico fue encontrada en 1954 por el Instituto Ártico de la URSS. La teoría de la expansión del fondo marino fue desarrollada en 1960 por Harry Hammond Hess. El Programa de perforación oceánica comenzó en 1966. Ha habido mucho énfasis en la aplicación de computadoras a gran escala a la oceanografía para permitir predicciones numéricas de las condiciones del océano y como parte de la predicción general del cambio ambiental.

Geomagnetismo

El movimiento del metal fundido conductor debajo de la corteza terrestre, o dínamo de la Tierra, es responsable de la existencia del campo magnético. La interacción del campo magnético y la radiación solar tiene un impacto en la cantidad de radiación que llega a la superficie de la Tierra y la integridad de la atmósfera. Se ha descubierto que los polos magnéticos de la Tierra se han invertido varias veces, lo que permite a los investigadores hacerse una idea de las condiciones de la superficie del planeta en ese momento. Se desconoce la causa de la inversión de los polos magnéticos, y los intervalos de cambio varían y no muestran un intervalo constante. Se cree que la inversión está correlacionada con el manto de la Tierra, aunque todavía se debate exactamente cómo.

Las distorsiones del campo magnético de la Tierra provocan el fenómeno Aurora Borealis, comúnmente llamado Luces del Norte. El campo magnético almacena energía proporcionada por partículas cósmicas conocidas como viento solar, lo que hace que las líneas del campo magnético se expandan. Cuando las líneas se contraen, liberan esta energía, que puede verse como la aurora boreal.

Influencias atmosféricas

El clima de la Tierra cambia con el tiempo debido a la composición atmosférica del planeta, la luminosidad del sol y la ocurrencia de eventos catastróficos.

La composición atmosférica afecta y es afectada por los mecanismos biológicos activos en la superficie terrestre. Los organismos afectan la cantidad de oxígeno frente al dióxido de carbono a través de la respiración y la fotosíntesis. También afectan los niveles de nitrógeno a través de la fijación, nitrificación y desnitrificación. El océano es capaz de absorber dióxido de carbono de la atmósfera, pero esto varía según los niveles de nitrógeno y fósforo presentes en el agua. Los seres humanos también han desempeñado un papel en el cambio de la composición atmosférica de la Tierra a través de subproductos industriales, deforestación y vehículos motorizados.

La luminosidad del Sol aumenta a medida que avanza en su ciclo de vida y son visibles a lo largo de millones de años. Se pueden formar manchas solares en la superficie del Sol, lo que puede causar una mayor variabilidad en las emisiones que recibe la Tierra.

Los volcanes se forman cuando dos placas se encuentran y una se subduce debajo de la otra. Por lo tanto, se forman a lo largo de la mayoría de los límites de las placas; el Anillo de Fuego es un ejemplo de esto. El estudio de los volcanes a lo largo de los límites de las placas ha mostrado una correlación entre las erupciones y el clima. Alan Robock teoriza que la actividad volcánica puede influir en el clima y provocar un enfriamiento global durante años. La idea principal, basada en las erupciones volcánicas, es que el dióxido de azufre liberado por los volcanes tiene un efecto importante en el enfriamiento de la atmósfera después de la erupción.

Los impactos de grandes cuerpos celestes, comúnmente asteroides, crean ondas de choque que empujan el aire y distribuyen polvo a la atmósfera, bloqueando la luz solar. Esto provoca un enfriamiento global, que puede conducir a la muerte y posible extinción de muchas especies.

Aplicación industrial

Las aplicaciones industriales de la geofísica se desarrollaron por demanda de exploración y recuperación de petróleo en la década de 1920. Posteriormente se mejoró la geofísica del petróleo, la minería y las aguas subterráneas. La minimización del riesgo de terremotos y las investigaciones de suelo/sitio para áreas propensas a terremotos fueron nuevas aplicaciones de la ingeniería geofísica en la década de 1990.

La sismología se usa en la industria minera para leer y construir modelos de eventos que pueden haber sido causados ​​o contribuidos por el proceso de minería. Esto permite a los científicos predecir los peligros asociados con la minería en el área.

Al igual que la minería, las ondas sísmicas se utilizan para crear modelos del subsuelo de la Tierra. Las características geológicas, llamadas trampas, que comúnmente indican la presencia de petróleo, pueden identificarse a partir del modelo y usarse para determinar los sitios adecuados para perforar.

Las aguas subterráneas son muy vulnerables a la contaminación producida por la industria y la eliminación de desechos. Para preservar la calidad de las fuentes de agua dulce, se crean mapas de la profundidad del agua subterránea y se comparan con las ubicaciones de las fuentes contaminantes.