Un abultamiento ecuatorial es una diferencia entre los diámetros ecuatorial y polar de un planeta , debido a la fuerza centrífuga que ejerce la rotación alrededor del eje del cuerpo. Un cuerpo en rotación tiende a formar un esferoide achatado en lugar de una esfera .
El planeta Tierra tiene un abultamiento ecuatorial bastante leve; su diámetro ecuatorial es aproximadamente 43 km (27 millas) mayor que su diámetro polar, con una diferencia de aproximadamente 1 ⁄ 298 del diámetro ecuatorial. Si la Tierra se redujera a un globo con un diámetro ecuatorial de 1 metro (3,3 pies), esa diferencia sería de sólo 3 mm (0,12 pulgadas). Si bien es demasiado pequeña para notarla visualmente, esa diferencia sigue siendo más del doble de las desviaciones más grandes de la superficie real del elipsoide, incluidas las montañas más altas y las fosas oceánicas más profundas .
La rotación de la Tierra también afecta al nivel del mar , la superficie imaginaria que se utiliza como marco de referencia para medir las altitudes . Esta superficie coincide con el nivel medio de la superficie del agua en los océanos y se extrapola a la tierra teniendo en cuenta el potencial gravitacional local y la fuerza centrífuga.
La diferencia de radios es, por tanto, de unos 21 km (13 millas). Por lo tanto, un observador situado al nivel del mar en cualquiera de los polos está 21 km (13 millas) más cerca del centro de la Tierra que si estuviera situado al nivel del mar en el ecuador. Como resultado, el punto más alto de la Tierra, medido desde el centro hacia afuera, es el pico del Monte Chimborazo en Ecuador en lugar del Monte Everest . Pero como el océano también está abultado, como la Tierra y su atmósfera , el Chimborazo no está tan alto sobre el nivel del mar como el Everest. De manera similar, el punto más bajo de la Tierra, medido desde el centro hacia afuera, es el Litke Deep en el Océano Ártico en lugar del Challenger Deep en el Océano Pacífico . Pero como el océano también se aplana, al igual que la Tierra y su atmósfera, el Litke Deep no está tan bajo por debajo del nivel del mar como el Challenger Deep.
Más precisamente, la superficie de la Tierra suele aproximarse mediante un elipsoide achatado ideal , con el fin de definir con precisión la cuadrícula de latitud y longitud para la cartografía , así como el "centro de la Tierra". En el elipsoide terrestre estándar WGS-84 , ampliamente utilizado para la elaboración de mapas y el sistema GPS , se supone que el radio de la Tierra es 6 378,137 km ( 3 963,191 mi) hasta el ecuador y 6 356,752 3142 km ( 3 949,902 7642 mi) hacia cualquiera de los dos. polo, lo que significa una diferencia de 21,384 6858 km ( 13,287 8277 mi) entre los radios o 42,769 3716 km ( 26,575 6554 mi) entre los diámetros, y un aplanamiento relativo de 1/298,257223563. La superficie del océano está mucho más cerca de este elipsoide estándar que la superficie sólida de la Tierra.
La gravedad tiende a contraer un cuerpo celeste hasta convertirlo en una esfera , cuya forma toda la masa está lo más cerca posible del centro de gravedad. La rotación provoca una distorsión de esta forma esférica; Una medida común de la distorsión es el aplanamiento (a veces llamado elipticidad u achatamiento), que puede depender de una variedad de factores que incluyen el tamaño, la velocidad angular , la densidad y la elasticidad .
Una forma de tener una idea del tipo de equilibrio involucrado es imaginar a alguien sentado en una silla giratoria y sosteniendo un peso en cada mano; Si el individuo tira de las pesas hacia adentro, se realiza trabajo y su energía cinética de rotación aumenta. El aumento en la velocidad de rotación es tan fuerte que a una velocidad de rotación más rápida la fuerza centrípeta requerida es mayor que con la velocidad de rotación inicial.
Algo análogo a esto ocurre en la formación de planetas. La materia primero se fusiona en una distribución en forma de disco que gira lentamente, y las colisiones y la fricción convierten la energía cinética en calor, lo que permite que el disco autogravite hasta convertirse en un esferoide muy achatado.
Mientras el protoplaneta siga siendo demasiado achatado para estar en equilibrio, la liberación de energía potencial gravitacional durante la contracción seguirá impulsando el aumento de la energía cinética rotacional. A medida que avanza la contracción, la velocidad de rotación sigue aumentando, por lo que la fuerza requerida para una mayor contracción sigue aumentando. Hay un punto en el que el aumento de la energía cinética rotacional ante una mayor contracción sería mayor que la liberación de energía potencial gravitacional. El proceso de contracción sólo puede continuar hasta ese punto, por lo que se detiene allí.
Mientras no haya equilibrio, puede haber convección violenta, y mientras haya convección violenta, la fricción puede convertir la energía cinética en calor, drenando energía cinética rotacional del sistema. Cuando se alcanza el estado de equilibrio, cesa la conversión a gran escala de energía cinética en calor. En ese sentido, el estado de equilibrio es el estado de energía más bajo que se puede alcanzar.
La velocidad de rotación de la Tierra todavía se está desacelerando, aunque gradualmente, aproximadamente dos milésimas de segundo por rotación cada 100 años. [1] Las estimaciones de qué tan rápido giraba la Tierra en el pasado varían, porque no se sabe exactamente cómo se formó la Luna. Las estimaciones de la rotación de la Tierra hace 500 millones de años son de unas 20 horas modernas por "día".
La velocidad de rotación de la Tierra se está desacelerando principalmente debido a las interacciones de las mareas con la Luna y el Sol. Dado que las partes sólidas de la Tierra son dúctiles , el abultamiento ecuatorial de la Tierra ha ido disminuyendo al ritmo de la disminución de la velocidad de rotación.
Debido a la rotación de un planeta alrededor de su propio eje, la aceleración gravitacional es menor en el ecuador que en los polos . En el siglo XVII, tras la invención del reloj de péndulo , los científicos franceses descubrieron que los relojes enviados a la Guayana Francesa , en la costa norte de América del Sur , funcionaban más lento que sus homólogos exactos en París. Las mediciones de la aceleración de la gravedad en el ecuador también deben tener en cuenta la rotación del planeta. Cualquier objeto que esté estacionario con respecto a la superficie de la Tierra en realidad sigue una trayectoria circular, circunnavegando el eje de la Tierra. Para tirar de un objeto en una trayectoria circular se requiere una fuerza. La aceleración necesaria para circunnavegar el eje de la Tierra a lo largo del ecuador a una revolución por día sidéreo es 0,0339 m/s 2 . Proporcionar esta aceleración disminuye la aceleración gravitacional efectiva. En el ecuador, la aceleración gravitacional efectiva es 9,7805 m/s 2 . Esto significa que la verdadera aceleración gravitacional en el ecuador debe ser 9,8144 m/s 2 (9,7805 + 0,0339 = 9,8144).
En los polos, la aceleración gravitacional es 9,8322 m/s 2 . La diferencia de 0,0178 m/s 2 entre la aceleración gravitacional en los polos y la aceleración gravitacional verdadera en el Ecuador se debe a que los objetos ubicados en el Ecuador están aproximadamente 21 km (13 millas) más lejos del centro de masa de la Tierra que en los polos, lo que corresponde a una aceleración gravitacional menor.
En resumen, hay dos contribuciones al hecho de que la aceleración gravitacional efectiva sea menos fuerte en el ecuador que en los polos. Alrededor del 70% de la diferencia se debe al hecho de que los objetos circunnavegan el eje de la Tierra, y alrededor del 30% se debe a la forma no esférica de la Tierra.
El diagrama ilustra que en todas las latitudes la aceleración gravitacional efectiva disminuye debido al requisito de proporcionar una fuerza centrípeta; el efecto decreciente es más fuerte en el ecuador.
El hecho de que el campo gravitatorio de la Tierra se desvíe ligeramente de su simetría esférica también afecta a las órbitas de los satélites a través de precesiones orbitales seculares . [2] [3] [4] Dependen de la orientación del eje de simetría de la Tierra en el espacio inercial, y, en el caso general, afectan a todos los elementos orbitales keplerianos con excepción del semieje mayor . Si el eje z de referencia del sistema de coordenadas adoptado está alineado a lo largo del eje de simetría de la Tierra, entonces sólo la longitud del nodo ascendente Ω, el argumento del pericentro ω y la anomalía media M sufren precesiones seculares. [5]
Tales perturbaciones, que se utilizaron anteriormente para cartografiar el campo gravitacional de la Tierra desde el espacio, [6] pueden desempeñar un papel perturbador importante cuando se utilizan satélites para realizar pruebas de la relatividad general [7] porque los efectos relativistas, mucho más pequeños, son cualitativamente indistinguibles de los efectos achatados. -Disturbios impulsados.
El coeficiente de aplanamiento para la configuración de equilibrio de un esferoide autogravitante, compuesto de un fluido incompresible de densidad uniforme, que gira constantemente alrededor de algún eje fijo, para una pequeña cantidad de aplanamiento, se aproxima mediante: [ 8]
dónde
El aplanamiento real es menor debido a la concentración de masa en el centro de los cuerpos celestes.
