La geofísica ( / ˌ dʒ iː oʊ ˈ f ɪ z ɪ k s / ) es una materia de ciencias naturales que se ocupa de los procesos físicos y las propiedades físicas de la Tierra y el entorno espacial que la rodea, y el uso de métodos cuantitativos para su análisis. Los geofísicos, que generalmente estudian geofísica, física o una de las ciencias de la Tierra a nivel de posgrado, completan investigaciones en una amplia gama de disciplinas científicas. El término geofísica se refiere clásicamente a las aplicaciones de la tierra sólida: la forma de la Tierra ; sus campos gravitacionales , magnéticos y electromagnéticos ; su estructura y composición interna ; su dinámica y su expresión superficial en la tectónica de placas , la generación de magmas , el vulcanismo y la formación rocosa. [3] Sin embargo, las organizaciones geofísicas modernas y los científicos puros utilizan una definición más amplia que incluye el ciclo del agua, incluida 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. [3] [4] [5] [6] [7] [8]
Aunque la geofísica no fue reconocida como una disciplina independiente hasta 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 desempeñaron 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 y 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 esencial 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 peligros naturales y la protección del medio ambiente . [4] En geofísica de exploración , los datos de estudios geofísicos se utilizan para analizar posibles reservorios de petróleo y depósitos minerales, localizar aguas subterráneas, encontrar reliquias arqueológicas, determinar el espesor de glaciares y suelos, y evaluar sitios para remediación ambiental .
La geofísica es una materia altamente interdisciplinaria y los geofísicos contribuyen en todas las áreas de las ciencias de la Tierra , mientras que algunos geofísicos realizan investigaciones en las ciencias planetarias . Para proporcionar una idea más clara de lo que constituye la geofísica, esta sección describe los fenómenos que se estudian en física y cómo se relacionan con la Tierra y sus alrededores. Los geofísicos también investigan los procesos físicos y las propiedades de la Tierra, sus capas fluidas y el campo magnético junto con el entorno cercano a la Tierra en el Sistema Solar , que incluye otros cuerpos planetarios.
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. [9]
Las fuerzas gravitacionales hacen que las rocas presionen rocas más profundas, aumentando su densidad a medida que aumenta la profundidad. [10] Las mediciones de la aceleración gravitacional y el potencial gravitacional 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 ). [11] 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 pudieran extenderse a través de los continentes (por ejemplo, con canales muy estrechos). [12]
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 . [13] Las principales fuentes de calor son: el calor primordial debido al enfriamiento de la Tierra y la radiactividad en la corteza superior de los planetas. [14] 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 (la frontera entre el núcleo y el manto y la litosfera ) en las que el calor se transporta por conducción . [15] Algo de calor es transportado desde el fondo del manto por las plumas del manto . El flujo de calor en la superficie de la Tierra es de aproximadamente 4,2 × 10 13 W y es una fuente potencial de energía geotérmica . [dieciséis]
Las ondas sísmicas son vibraciones que viajan a través del interior de la Tierra o a lo largo de su superficie. [17] La Tierra entera también puede oscilar en formas que se denominan modos normales u oscilaciones libres de la Tierra . Los movimientos del suelo provocados 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. [18] [19]
El registro de ondas sísmicas 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 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. [11] Los cambios en la dirección de viaje, llamados refracción , pueden usarse para inferir la estructura profunda de la Tierra . [19]
Los terremotos suponen un riesgo para los seres humanos . Comprender sus mecanismos, que dependen del tipo de terremoto (por ejemplo, intraplaca o foco profundo ), puede conducir a mejores estimaciones del riesgo sísmico y mejoras en la ingeniería sísmica . [20]
Aunque notamos principalmente electricidad durante las tormentas , siempre hay un campo eléctrico descendente cerca de la superficie que tiene un promedio de 120 voltios por metro. [21] En relación con la Tierra sólida, la ionización de la atmósfera del planeta es el resultado de la penetración de los rayos cósmicos galácticos , lo que la deja con una carga neta positiva. [22] Por el circuito global circula una corriente de unos 1800 amperios . [21] Fluye hacia abajo desde la ionosfera sobre la mayor parte de la Tierra y regresa hacia arriba a través de tormentas eléctricas. El flujo se manifiesta por relámpagos debajo de las nubes y duendes arriba.
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 de origen externo, variable en el tiempo, y el movimiento de cuerpos conductores (como el agua de mar) a través del campo magnético permanente de la Tierra. [23] 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 tomografía de polarización inducida y resistividad eléctrica ).
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 se producen por la caída de un rayo . Ambos pueden generar un silbido. Los terremotos también pueden generar ondas electromagnéticas (ver sismo-electromagnética ).
En el hierro líquido altamente conductor del núcleo externo, los campos magnéticos se generan mediante corrientes eléctricas mediante inducción electromagnética. Las ondas de Alfvén son ondas magnetohidrodinámicas en la magnetosfera o núcleo de la Tierra. En el núcleo, probablemente tienen poco efecto observable sobre 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 . [24]
Los métodos electromagnéticos que se utilizan para los estudios geofísicos incluyen el electromagnético transitorio , la magnetotelúrica , la resonancia magnética nuclear de superficie y el registro electromagnético del fondo marino. [25]
El campo magnético de la Tierra protege a la Tierra del mortífero viento solar y se ha utilizado durante mucho tiempo para la navegación. Se origina en los movimientos fluidos del núcleo externo. [24] El campo magnético en la atmósfera superior da lugar a las auroras . [26]
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 mayor parte, el polo geomagnético permanece cerca del polo geográfico , pero a intervalos aleatorios que promedian entre 440.000 y un millón de años aproximadamente, la polaridad del campo terrestre 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; la breve inversión completa más reciente del evento de Laschamp ocurrió hace 41.000 años durante el último período glacial. . Los geólogos observaron la inversión geomagnética registrada en rocas volcánicas, a través de correlación magnetoestratigráfica (ver magnetización remanente natural ) y su firma puede verse como franjas de anomalías magnéticas lineales paralelas en el fondo 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. [27] Además, la magnetización de las rocas se puede utilizar para medir el movimiento de los continentes. [24]
La desintegración radiactiva representa aproximadamente el 80% del calor interno de la Tierra y alimenta la geodinamo y la tectónica de placas. [28] Los principales isótopos productores de calor son el potasio-40 , el uranio-238 , el uranio-235 y el torio-232 . [29] 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 tanto eventos recientes como eventos de eras geológicas pasadas . [30] El mapeo radiométrico utilizando espectrometría gamma terrestre y aérea se puede utilizar para mapear la concentración y distribución de radioisótopos cerca de la superficie de la Tierra, lo que es útil para mapear la litología y la alteración. [31] [32]
Los movimientos de fluidos ocurren en la magnetosfera, la atmósfera , el océano, el manto y el núcleo. Incluso el manto, aunque tiene una viscosidad enorme , fluye como un fluido durante largos intervalos de tiempo. Este flujo se refleja en fenómenos como la isostasia , el rebote posglacial y los penachos del manto . El flujo del manto impulsa la tectónica de placas y el flujo en el núcleo de la Tierra impulsa la geodinamo. [24]
La dinámica de fluidos geofísicos es una herramienta principal en la oceanografía física y la 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 Kelvin y espirales de Ekman en la superficie del océano. [33] En el núcleo de la Tierra, la circulación del hierro fundido está estructurada por columnas de Taylor . [24]
Las ondas y otros fenómenos en la magnetosfera se pueden modelar mediante magnetohidrodinámica .
Deben entenderse 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 minerales estudian las propiedades elásticas de los minerales; sus diagramas de fases 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 periodos cortos de tiempo las rocas se vuelven 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. [10]
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 numerosos tipos de precipitación implican una mezcla compleja de procesos como la coalescencia , el sobreenfriamiento 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. [33]
Las numerosas 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 helado (o permafrost ). [36]
La Tierra es aproximadamente esférica, pero se abulta 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. [12]
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 y 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 2 , en comparación con 0,4 MR 2 para 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 densidad. En cambio, sabemos que el núcleo de la Tierra está compuesto por una aleación de hierro y otros minerales. [10]
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 externo 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 terrestre. El núcleo interno de la Tierra , sin embargo, es sólido debido a la enorme presión. [12]
La reconstrucción de las reflexiones sísmicas en el interior profundo indica algunas discontinuidades importantes en las velocidades sísmicas que delimitan las zonas principales 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 . [12]
El modelo sísmico de la Tierra no determina por sí solo la composición de las capas. Para obtener un modelo completo de la Tierra, se necesita física mineral para interpretar las velocidades sísmicas en términos de composición. Las propiedades minerales dependen de la temperatura, por lo que también se debe determinar la geotermia . Esto requiere teoría física sobre la conducción y convección térmica y el aporte 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 transiciones de fase. [10]
El manto actúa como un sólido para las ondas sísmicas, pero bajo altas presiones y temperaturas se deforma de modo que durante millones de años actúa 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 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, sale y rodea el campo magnético terrestre y continúa detrás de la cola magnética , cientos de radios de la Tierra corriente abajo. Dentro de la magnetosfera, hay regiones relativamente densas de partículas de viento solar llamadas cinturones de radiación de Van Allen. [26]
Las mediciones geofísicas generalmente se realizan en un momento y lugar determinados. 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 relacionados que muchas organizaciones científicas como la Unión Geofísica Estadounidense , la Unión Geofísica Canadiense y la Unión Internacional de Geodesia y Geofísica abarcan ambos. [37]
Absolute positions are most frequently determined using the global positioning system (GPS). A three-dimensional position is calculated using messages from four or more visible satellites and referred to the 1980 Geodetic Reference System. An alternative, optical astronomy, combines astronomical coordinates and the local gravity vector to get geodetic coordinates. This method only provides the position in two coordinates and is more difficult to use than GPS. However, it is useful for measuring motions of the Earth such as nutation and Chandler wobble. Relative positions of two or more points can be determined using very-long-baseline interferometry.[37][38][39]
Gravity measurements became part of geodesy because they were needed to related measurements at the surface of the Earth to the reference coordinate system. Gravity measurements on land can be made using gravimeters deployed either on the surface or in helicopter flyovers. Since the 1960s, the Earth's gravity field has been measured by analyzing the motion of satellites. Sea level can also be measured by satellites using radar altimetry, contributing to a more accurate geoid.[37] In 2002, NASA launched the Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE), wherein two twin satellites map variations in Earth's gravity field by making measurements of the distance between the two satellites using GPS and a microwave ranging system. Gravity variations detected by GRACE include those caused by changes in ocean currents; runoff and ground water depletion; melting ice sheets and glaciers.[40]
Satellites in space have made it possible to collect data from not only the visible light region, but in other areas of the electromagnetic spectrum. The planets can be characterized by their force fields: gravity and their magnetic fields, which are studied through geophysics and space physics.
Measuring the changes in acceleration experienced by spacecraft as they orbit has allowed fine details of the gravity fields of the planets to be mapped. For example, in the 1970s, the gravity field disturbances above lunar maria were measured through lunar orbiters, which led to the discovery of concentrations of mass, mascons, beneath the Imbrium, Serenitatis, Crisium, Nectaris and Humorum basins.[41]
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 procesamiento GPS diferencial . Una vez procesadas e invertidas las mediciones geofísicas, los resultados interpretados se trazan utilizando SIG. Programas como ArcGIS y Geosoft se crearon para satisfacer estas necesidades e incluyen muchas funciones geofísicas integradas, como la continuación hacia arriba y el cálculo de la derivada de medición , como la primera derivada vertical. [11] [42] Muchas empresas de geofísica han diseñado programas geofísicos internos que son anteriores a ArcGIS y GeoSoft para cumplir con los requisitos de visualización de un conjunto de datos geofísicos.
La geofísica de exploración es geofísica aplicada que a menudo utiliza plataformas de detección remota como; satélites, aviones, barcos, vehículos exploradores, drones, equipos de detección de pozos y receptores sísmicos. [11] La mayor parte de la corrección de los datos recopilados utilizando métodos geofísicos como magnéticos , gravimétricos , electromagnéticos , radiométricos , radar , altimetría láser , barometría y Lidar , en plataformas de detección remota implican la corrección de los datos geofísicos recopilados desde esa plataforma de detección remota debido a los efectos de esa plataforma sobre los datos geofísicos. [11] Por ejemplo, los datos aeromagnéticos ( datos magnéticos recopilados por aviones ) recopilados utilizando plataformas de aviones convencionales de ala fija deben corregirse para las corrientes de Foucault electromagnéticas que se crean a medida que el avión se mueve a través del campo magnético de la Tierra . [11] También hay correcciones relacionadas con cambios en la intensidad del campo potencial medido a medida que la Tierra gira, cuando la Tierra orbita alrededor del Sol y cuando la Luna orbita alrededor de la Tierra. [11] [42]
Las mediciones geofísicas a menudo se registran como series temporales con ubicación GPS . El procesamiento de señales implica la corrección de datos de series temporales en busca de ruidos o errores no deseados introducidos por la plataforma de medición, como las vibraciones de los aviones en los datos de gravedad. También implica la reducción de fuentes de ruido, como las correcciones diurnas en datos magnéticos. [11] [42] En datos sísmicos, datos electromagnéticos y datos de gravedad, el procesamiento continúa después de las correcciones de errores para incluir geofísica computacional que da como resultado la interpretación final de los datos geofísicos en una interpretación geológica de las mediciones geofísicas [11] [42]
La geofísica surgió como una disciplina separada recién en el siglo XIX, a partir de la intersección de la geografía física , la geología , la astronomía , la meteorología y la física. [43] [44] El primer uso conocido de la palabra geofísica fue en alemán ("Geophysik") por Julius Fröbel en 1834. [45] Sin embargo, muchos fenómenos geofísicos, como el campo magnético de la Tierra y los terremotos, han sido investigados desde entonces. la era antigua .
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 se utilizaron las brújulas 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 data del año 1190 d.C. [46]
Alrededor del año 240 a. C., Eratóstenes de Cirene dedujo que la Tierra era redonda y midió su circunferencia con gran precisión. [47] Desarrolló un sistema de latitud y longitud . [48]
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. [49] Este instrumento fue diseñado para dejar caer una bola de bronce desde la boca de un dragón hasta la boca de un sapo. Al observar cuál de los ocho sapos tenía la pelota, se podría determinar la dirección del terremoto. Pasaron 1571 años antes de que Jean de la Hautefeuille publicara en Europa el primer diseño de un sismoscopio . Nunca fue construido. [50]
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 experimentos meticulosos sobre el magnetismo. Gilbert dedujo que las brújulas apuntan al norte porque la Tierra misma es magnética. [24]
En 1687 Isaac Newton publicó sus Principia , que no sólo sentaron las bases de la mecánica clásica y la gravitación sino que también explicaron una variedad de fenómenos geofísicos como las mareas y la precesión del equinoccio. [51]
El primer sismómetro , un instrumento capaz de mantener un registro continuo de la actividad sísmica, fue construido por James Forbes en 1844. [50]
