¿Por qué la tierra parece pelota ponchada?

3 04 2011

Así pregunta mi querida Adriana desde San Luis y se refiere a la más ultima edición del geoide que ha producido el satélite Europeo GOCE (figura 1). El satélite GOCE (Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer) que opera desde marzo del 2009 es capaz de medir el campo gravitacional terrestre con altísima precisión desde su órbita a 260km de altura. Logra hacerlo con tres acelerómetros, muy sensibles, que miden cambios en la aceleración en tres direcciones a la cual es sujeto el satélite. Además el vehículo se mantiene en órbita con la ayuda de un motor de iones que combate la levísima fricción a la cual es sujeto por la delgada termósfera lanzando iones de xenon a 40,000 m/s o 144,000 km/h por su parte trasera. Es un artefacto estupendo.

Figura 1, representación del geoide medido por GOCE

En fin, GOCE produce imágenes como la que hemos visto, pero ¿qué significa? No, la Tierra no ha cambiado súbitamente de forma, continua siendo casi un elipsoide. Para entender lo que es el geoide necesitamos pasar revista de algunos conceptos básicos de gravedad.

La gravedad es al fuerza de atracción que produce cualquier masa sobre todas las demás masas, en sentido estricto todos los objetos del universo se atraen constantemente unos a otros, claro esta, unos con mayor fuerza que otros. Por ejemplo, así como la Tierra atrae a Adriana y la mantiene adherida a su superficie, simultáneamente Adriana atrae a la Tierra hacia si misma. Parece extraño, pero es verdad, la diferencia claro, es que por el contraste de masas (siendo la Tierra más masiva) la fuerza que ejerce Adriana sobre el planeta es minúscula.

Así, la gravedad puede actuar a distancia y es de esta forma como el Sol mantiene a los planetas en órbita y la Tierra a su vez mantiene a la luna en su danza eterna. Este concepto, acción a distancia, fue descrito primero por Newton en el siglo XVII, pero el jamás fue capaz (y lo sabía) de ofrecer una explicación de como es que se da esa acción a distancia, cuál es el vehículo que comunica a Adriana la presencia de las demás masas del universo y la hacen responder a su influencia. Fue Einstein quien a principios del siglo XX artículo finalmente esa explicación, mostrando que el espacio no es inmutable, que el espacio mismo se dobla, se pliega, como una sabana extendida con una bola de boliche, ante la presencia de masa y que la gravedad no es mas que un reflejo de esa deformación del espacio.

Bueno, de vuelta a la Tierra. La gravedad del planeta tiene dos componentes; uno debido a la ya mencionada atracción producto de su masa, el segundo debido a su rotación, pues como el niño en el carrusel la rotación tiende a arrojarlo hacia afuera, de igual forma la rotación del planeta tiende a arrojar a Adriana hacia el espacio. Estos dos componentes forman lo que colectivamente llamamos gravedad. El combate entre la atracción de la masa del planeta y la rotación del mismo es la razón por la cual la gravedad no es homogénea, pues en los polos, cerca del eje de rotación el giro del planeta tiene un efecto mínimo, mientras que en el ecuador, lejos del eje de rotación el giro del planeta se manifiesta de mayor forma. Simplemente, la gravedad es mayor en los polos que en el ecuador, 0.5% mayor para ser exactos. Es por esto, por ejemplo, que Estados Unidos lanza sus cohetes al espacio desde la Florida, pues es el punto de su país donde la gravedad es menor.

Así, la rotación del planeta es culpable de que la Tierra no sea una esfera perfecta, si no que se encuentra achatada en los polos, pues como ya explicamos el giro hace que la masa cerca del ecuador tienda a escapar un poco más hacia el espacio.

Ahora, cualquier masa, por virtud de su presencia en un campo gravitacional, en este caso el de la Tierra, tiene un potencial, este potencial no es otra cosa que la energía por unidad de masa. La figura 1 representa de forma exagerada al , que es la superficie sobre la cual esa energìa gravitacional por unidad de masa es la misma, es decir cualquier punto sobre el geoide esta sujeto a la misma gravedad, en el léxico de la mecánica clásica, el geoide es una superficie equipotencial.

Si la Tierra fuera radialmente homogénea, esto es que estuviera constituida por cascarones perfectos, como núcleo, manto y corteza el geoide seria simplemente un elipsoide, un balón chato de futbol americano (o más bien de rugby). Sin embargo, como es evidente en la figura 1, el geoide no es un eliposide, pero a todos nos enseñaron que la Tierra esta de hecho constituida por cascarones (núcleo, manto y corteza) ¿què demonios pasa qui?

Para explicarlo mejor, veamos la figura 2, que es la misma que la figura 1 pero en mapa. Lo que indican los colores (y se ve en la escala) es la diferencia en metros entre el geoide ideal (ese que tiene forma de balón chato de futbol americano) y el geoide medido por GOCE. Así que donde el mapa es azul el geoide real se encuentra por debajo del ideal y los colores cálidos es donde el geoide se encuentra por arriba del ideal.

Figura 2, geoide meido por GOCE en mapa, la escala de colores está en metros.

Esto es una observación notable, que tiene una explicación sencilla, allí donde el geoide real es mayor al ideal (rojos) quiere decir que hay un exceso de masa en el interior del planeta, masa más densa de lo esperado, donde el geoide real esta por debajo del ideal (azules) hay una deficiencia de masa en el interior del planeta, masa menos densa de lo esperado. Esto implica que esa imagen de una Tierra linda, hecha de cascarones perfectos es parcialmente falsa. De otras ramas de la geofísica, notablemente la sismología, se sabe que esos cascarones, núcleo, manto y corteza existen, pero con esta observación del geoide queda claro que distan mucho de ser perfectos. El manto de la Tierra no es homogéneo, esta lleno de imperfecciones que lo atraviesan en todas direcciones, remanentes de placas subducidas, grandes columnas de material boyante que ascienden desde la frontera del núcleo externo para formar cadenas de islas como Hawai y muchas más

Entonces explicar la existencia de las irregularidades en el geoide es sencillo, tarea menos sencilla es asignar un significado especial a cada una de las imperfecciones. Por ejemplo, las elevaciones del geoide en Chile y en el archipiélago de Nueva Guinea casi seguramente están asociados al fenómeno de subducción, donde la litosfera densa que sucumbe al interior del manto produce estas anomalías. De igual forma la disminución del geoide al norte de la India en China central esta asociado a la colisión entre las placas India y Euroasiática que son poco densas y forman los Himalayas, así como la disminución del geoide en la bahía de Hudson en el norte de Canadá que se debe al rebote elástico post-glacial: al derretirse los glaciares de la ultima era del hielo esa gran masa que recostaba sobre la corteza desapareció y el manto y la corteza misma aun se están recuperando.

Sin embargo aunque muchas de esas anomalías son explicables hay otras que aun no tiene explicación satisfactoria, por ejemplo, la enorme disminución en la punta sur de la India o la disminución al oeste de la península de Baja California. Su origen es aun cuestión de debate

Aunque muchas de estas ideas ya existían desde hace décadas GOCE y su misión hermana GRACE (de la NASA) nos han dado una visión global del comportamiento del campo gravitacional Terrestre. Pero hemos ignorado aquí (y ya habrá espacio para ello en otra entrega) que estas misiones nos dan también algo que antes no teníamos: una visión de la evolución temporal del campo. Esos rasgos de los cuales hablamos son, dada su larga duración casi estáticos, pero hay muchos otros vericuetos del campo gravitacional que cambian con las temporadas o con los grandes eventos tectónicos como los sismos, es por ello que GRACE y GOCE además de observaciones tectónicas son capaces de estudiar el comportamiento de los océanos y de los casquetes polares que aunque pequeños en términos de su contribución gravitación son también de mucho interés.

Por todo eso y algunas otras razones Adriana, la Tierra parece balón ponchado.


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