Geofísica / dʒ i oʊ f ɪ z ɪ k s / es un tema de la ciencia natural de que se trate con los procesos físicos y propiedades físicas de la Tierra y su entorno espacio circundante, y el uso de métodos cuantitativos para su análisis. El término geofísica a veces se refiere solo a las aplicaciones geológicas: la forma de la Tierra ; sus campos gravitacionales y magnéticos ; Su estructura interna y su composición ; Su dinámica y su expresión superficial en.La tectónica de placas , la generación de magmas , el volcanismo y la formación rocosa. [3] Sin embargo, las organizaciones geofísicas modernas utilizan una definición más amplia que incluye el ciclodel 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 relaciones solar-terrestres; y problemas análogos asociados con la Luna y otros planetas. [3] [4] [5]
Aunque la geofísica solo fue reconocida como una disciplina separada en el siglo XIX, sus orígenes se remontan a la antigüedad. Las primeras brújulas magnéticas se hicieron a partir de piedras preciosas , mientras que las brújulas magnéticas más modernas desempeñaron un papel importante en la historia de la navegación. El primer instrumento sísmico fue construido en el año 132 dC. Isaac Newton aplicó su teoría de la mecánica a las mareas y la precesión del equinoccio ; y se desarrollaron instrumentos para medir la forma de la Tierra, la densidad y el campo de la gravedad, 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 desempeñó 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 del estudio geofísico se utilizan para analizar posibles reservorios de petróleo y depósitos minerales, localizar aguas subterráneas, encontrar reliquias arqueológicas, determinar el espesor de los glaciares y los suelos y evaluar los sitios para la remediación ambiental .
Fenómenos físicos [ editar ]
La geofísica es un tema altamente interdisciplinario, y los geofísicos contribuyen a cada área de las ciencias de la Tierra . 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.
Gravedad [ editar ]
La atracción gravitatoria 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. [6]
Las fuerzas gravitacionales hacen que las rocas presionen las rocas más profundas, aumentando su densidad a medida que aumenta la profundidad. [7] Las mediciones de la aceleración gravitatoria y el potencial gravitatorio en la superficie de la Tierra y por encima de ella se pueden usar para buscar depósitos minerales (ver anomalía de gravedad y gravimetría ). [8] El campo gravitacional de la superficie 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 en los canales muy estrechos). [9]
Flujo de calor [ editar ]
La Tierra se está enfriando y el flujo de calor resultante genera el campo magnético de la Tierra a través de la geodinámica y la tectónica de placas a través de la convección del manto . [10] Las principales fuentes de calor son el calor primordial y la radiactividad , aunque también hay contribuciones de las transiciones de fase . La mayor parte del calor se transporta a la superficie por convección térmica , aunque existen dos capas límite térmicas, el límite núcleo-manto y la litosfera , en las que el calor se transporta por conducción . [11] Parte del calor del mantolleva algo de calor.por penachos de 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 . [12]
Vibraciones [ editar ]
Las ondas sísmicas son vibraciones que viajan a través del interior de la Tierra o a 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 del terreno de las ondas o los modos normales se miden utilizando sismógrafos . Si las ondas provienen de una fuente localizada, como un terremoto o una explosión, se pueden utilizar mediciones en más de una ubicación para localizar la fuente. Las ubicaciones de los terremotos proporcionan información sobre la tectónica de placas y la convección del manto. [13] [14]
El registro de ondas sísmicas de fuentes controladas proporciona información sobre la región a través de la cual viajan las ondas. Si la densidad o composición de la roca cambia, las ondas se reflejan. Las reflexiones registradas utilizando la 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. [8]Los cambios en la dirección del viaje, llamados refracción , se pueden usar para inferir la estructura profunda de la Tierra . [14]
Los terremotos representan un riesgo para los humanos . Comprender sus mecanismos, que dependen del tipo de terremoto (por ejemplo, intraplate o enfoque profundo ), puede conducir a mejores estimaciones del riesgo de terremotos y mejoras en la ingeniería sísmica . [15]
Electricidad [ editar ]
Aunque notamos principalmente electricidad durante tormentas eléctricas , siempre hay un campo eléctrico hacia abajo cerca de la superficie que promedia 120 voltios por metro. [16] En relación con la Tierra sólida, la atmósfera tiene una carga neta positiva debido al bombardeo de los rayos cósmicos . Una corriente de aproximadamente 1800 amperios fluye en el circuito global. [16] 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 un rayo debajo de las nubes y sprites arriba.
Una variedad de métodos eléctricos se utilizan en el estudio geofísico. 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. [17] La distribución de la densidad de corriente telúrica se puede usar para detectar variaciones en la resistividad eléctrica de las estructuras subterráneas. Los geofísicos también pueden proporcionar la corriente eléctrica por sí mismos (ver polarización inducida ytomografía de resistividad eléctrica ).
Ondas electromagnéticas [ editar ]
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 está causado por electrones de alta energía que quedan atrapados en el cinturón de radiación de Van Allen . Los silbidos son producidos por rayos . El silbido puede ser generado por ambos. Las ondas electromagnéticas también pueden ser generadas por terremotos (ver sismo-electromagnética).
En el hierro líquido altamente conductor del núcleo externo, los campos magnéticos son generados por corrientes eléctricas a través de la inducción electromagnética. Las ondas de Alfvén son ondas magnetohidrodinámicas en la magnetosfera o en el núcleo de la Tierra. En el núcleo, probablemente tienen poco efecto observable en el campo magnético de la Tierra, pero las ondas más lentas, como las ondas de Rossby magnéticas , pueden ser una fuente de variación secular geomagnética . [18]
Los métodos electromagnéticos que se utilizan para el estudio geofísico incluyen electromagnética transitoria , magnetotellurics , resonancia magnética nuclear de superficie y registro electromagnético de los fondos marinos. [19]
Magnetismo [ editar ]
El campo magnético de la Tierra protege a la Tierra del viento solar mortal y durante mucho tiempo se ha utilizado para la navegación. Se origina en los movimientos fluidos del núcleo externo. [18] El campo magnético en la atmósfera superior da lugar a las auroras . [20]
El campo de la Tierra es más o menos como un dipolo inclinado , pero cambia con el tiempo (un fenómeno llamado variación secular geomagnética). Principalmente, el polo geomagnético permanece cerca del polo geográfico , pero a intervalos aleatorios que promedian 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 un cambio en la frecuencia a lo largo del tiempo, con la reversa completa más reciente del evento Laschamp queocurrió hace 41,000 años durante el último período glacial . Geólogos observadosla inversión geomagnética registrada en rocas volcánicas, a través de la correlación magnetoestratigráfica (ver magnetización remanente natural ) y su firma puede verse como rayas paralelas de anomalía magnética lineal en el fondo marino. Estas franjas proporcionan información cuantitativa sobre la propagación 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 geológicas. [21] Además, la magnetización en rocas se puede utilizar para medir el movimiento de los continentes. [18]
Radioactividad [ editar ]
El decaimiento radioactivo representa aproximadamente el 80% del calor interno de la Tierra , lo que impulsa la geodinámica y la tectónica de placas. [22] Los principales isótopos que producen calor son el potasio-40 , el uranio-238 , el uranio-235 y el torio-232 . [23] 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 tasas predecibles, y las tasas de decaimiento de diferentes isótopos cubren varios órdenes de magnitud, por lo que la desintegración radioactiva se puede usar para fechar con precisión eventos recientes y eventos en épocas geológicas pasadas . [24] El mapeo radiométrico usando espectrometría gamma terrestre y aérea se puede usar para mapear la concentración y distribución de radioisótopos cerca de la superficie de la Tierra, que es útil para mapear la litología y la alteración. [25] [26]
Dinamica de fluidos [ editar ]
Los movimientos 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 postglacial 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 geodinámica. [18]
La dinámica de los 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 conducen patrones de circulación a gran escala, así como ondas de Kelvin y espirales Ekman en la superficie del océano. [27] En el núcleo de la Tierra, la circulación del hierro fundido está estructurada por columnas de Taylor . [18]
Las ondas y otros fenómenos en la magnetosfera se pueden modelar utilizando la magnetohidrodinámica .
Física mineral [ editar ]
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 la fluencia hace posible el flujo, aunque en tiempos cortos las rocas son frágiles. La viscosidad de las rocas se ve afectada por la temperatura y la presión, y a su vez determina las velocidades a las que se mueven las placas tectónicas.[7]
El agua es una sustancia muy compleja y sus propiedades únicas son esenciales para la vida. [28] 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 supercooling y la supersaturación . [29] Parte del agua precipitada se convierte en agua subterránea , y el flujo de agua subterránea incluye fenómenos como la percolación , mientras queLa 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 sobre su movimiento en los océanos. [27]
Las muchas fases del hielo forman la criosfera y vienen en formas como capas de hielo , glaciares , hielo marino, hielo de agua dulce, nieve y suelo congelado (o permafrost ). [30]
Regiones de la Tierra [ editar ]
Tamaño y forma de la tierra [ editar ]
La Tierra es aproximadamente esférica, pero se abomba hacia el ecuador , por lo que tiene aproximadamente la forma de un elipsoide (ver elipsoide de la Tierra ). Esta protuberancia 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. [9]
Estructura del interior [ editar ]
La evidencia de la sismología, el flujo de calor en la superficie y la física mineral se combinan con la masa de la Tierra y el momento de inercia 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 más alta 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 por su bajo momento de inercia( 0.33 MR 2 , comparado con 0.4 MR 2).para una esfera de densidad constante). Sin embargo, parte del aumento de densidad es la 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 de una aleación de hierro y otros minerales. [7]
Las reconstrucciones de las ondas sísmicas en el interior profundo de la Tierra muestran que no hay ondas S en el núcleo externo. 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 de la Tierra. El núcleo interno de la Tierra , sin embargo, es sólido debido a la enorme presión. [9]
La reconstrucción de los reflejos sísmicos en el interior profundo indica algunas discontinuidades importantes en las velocidades sísmicas que demarcan las zonas principales de la Tierra: núcleo interno, núcleo externo, manto, litosfera y corteza . El manto mismo se divide en el manto superior , la zona de transición, el manto inferior y lacapa D ′ ′ . Entre la corteza y el manto está la discontinuidad de Mohorovičić . [9]
El modelo sísmico de la Tierra no determina por sí mismo la composición de las capas. Para un modelo completo de la Tierra, la física mineral es necesaria 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 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 preliminar de referencia de la Tierra (PREM). Algunas partes de este modelo han sido actualizadas por hallazgos recientes en física de minerales (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. [7]
El manto actúa como un sólido para las ondas sísmicas, pero a altas presiones y temperaturas se deforma, de modo que durante millones de años actúa como un líquido. Esto hace posible la tectónica de placas .
Magnetosfera [ editar ]
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 alrededor de 10 radios terrestreshacia el Sol. El viento solar, una corriente de partículas cargadas, fluye hacia afuera y alrededor del campo magnético terrestre, y continúa detrás de la cola magnética , cientos de radios terrestres aguas abajo. Dentro de la magnetosfera, hay regiones relativamente densas de partículas de viento solar llamadas los cinturones de radiación de Van Allen. [20]
Métodos [ editar ]
Geodesia [ editar ]
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 la provincia 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 Americana , la Unión Geofísica Canadiense y la Unión Internacional de Geodesia y Geofísica abarcan ambas. [31]
Las posiciones absolutas se determinan con mayor frecuencia utilizando el sistema de posicionamiento global(GPS). Una posición tridimensional se calcula utilizando 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 movimientos de la Tierra como la nutación y el tambaleo de Chandler . Las posiciones relativas de dos o más puntos pueden determinarse utilizando interferometría de línea de base muy larga . [31][32] [33]
Las mediciones de gravedad se convirtieron en parte de la geodesia porque eran necesarias para mediciones relacionadas en la superficie de la Tierra con el sistema de coordenadas de referencia. Las mediciones de 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 puede medirse mediante satélites que utilizan altimetría por radar , lo que contribuye a un geoide más preciso . [31] En 2002, la NASA lanzó el Experimento de Recuperación de la Gravedad y Clima(GRACIA), en la que dos satélites gemelos trazan un mapa de las variaciones en el campo de gravedad de la Tierra al realizar mediciones de la distancia entre los dos satélites utilizando GPS y un sistema de alcance de microondas. Las variaciones de gravedad detectadas por GRACE incluyen aquellas causadas por cambios en las corrientes oceánicas; escurrimiento y agotamiento del agua subterránea; Fusión de capas de hielo y glaciares. [34]
Satélites y sondas espaciales [ editar ]
Los satélites en el espacio han permitido recopilar datos no solo de la región de luz visible, sino de otras áreas del espectro electromagnético . Los planetas pueden caracterizarse 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 experimentados por las naves espaciales mientras se mueven en órbita ha permitido el mapeo de detalles finos de los campos de gravedad de los planetas. Por ejemplo, en la década de 1970, las perturbaciones del campo de gravedad por encima de la maria lunar se midieron a través de orbitadores lunares , lo que condujo al descubrimiento de concentraciones de masas, masconas , debajo de las cuencas de Imbrium , Serenitatis , Crisium , Nectaris y Humorum . [35]
Historia [ editar ]
La geofísica surgió como una disciplina separada solo en el siglo XIX, desde la intersección de la geografía física, la geología , la astronomía , la meteorología y la física. [36] [37] Sin embargo, muchos fenómenos geofísicos, como el campo magnético de la Tierra y los terremotos, se han investigado desde la era antigua .
Épocas antiguas y clásicas [ editar ]
La brújula magnética existió en China hasta el siglo IV aC. Se usó tanto para el feng shui como para la navegación en tierra. No fue hasta que se pudieron forjar buenas agujas de acero que las brújulas se usaron para navegar en el mar; antes de eso, no podían conservar su magnetismo el tiempo suficiente para ser útiles. La primera mención de una brújula en Europa fue en 1190 dC. [38]
En alrededor del año 240 aC, Eratóstenes de Cirene dedujo que la Tierra era redonda y midió la circunferencia de la Tierra , utilizando la trigonometría y el ángulo del Sol en más de una latitud en Egipto. Desarrolló un sistema de latitud y longitud . [39]
Quizás la contribución más temprana a la sismología fue la invención de un sismoscopio por el prolífico inventor Zhang Heng en 132 AD. [40] 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 podría determinar la dirección del terremoto. Pasaron 1571 años antes de que el primer diseño para un seismoscopio fuera publicado en Europa, por Jean de la Hautefeuille . Nunca fue construido. [41]
Comienzos de la ciencia moderna [ editar ]
Una de las publicaciones que marcaron el comienzo de la ciencia moderna fue William Gilbert 's De Magnete(1600), un informe de una serie de experimentos meticulosos en el magnetismo. Gilbert dedujo que las brújulas apuntan al norte porque la Tierra misma es magnética. [18]
En 1687, Isaac Newton publicó sus Principios , que no solo 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. [42]
El primer sismómetro , un instrumento capaz de mantener un registro continuo de actividad sísmica, fue construido por James Forbes en 1844.
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