¿Hay alguna relación entre la actividad solar y los terremotos?

25 04 2012

Recientemente, David a quien conocí por teléfono (y con quien ahora resulta ser que jugué béisbol en mis años mozos) me preguntaba si existía alguna relación entre sismicidad y actividad solar. Es una pregunta que surge a menudo y una que gracias a la cantidad de instrumentos de medición que existen tanto en la superficie terrestre como en órbita alrededor de la Tierra es posible contestar de mi forma preferida; mirando los números.

La respuesta corta es no, no existen indicios de que un incremento en la actividad solar produzca un incremento en sismicidad. En un excelente artículo en “The Sun Today” un blog sobre física espacial Ryan O. Milligan físico del NASA Goddard Space Flight Centre lleva a cabo un bonito análisis sobre la correlación entre la actividad solar y la sismicidad. No entraré en mucho detalle porque apenas son las 3 de la tarde y me queda mucho trabajo por hacer, pero si les interesa saber más los invito a visitar el blog (http://www.thesuntoday.org/sun-101/flares-and-earthquakes/).

Ocurrencia de erupciones solares (azul) y sismicidad (rojo)

La imagen anterior muestra que las erupciones solares siguen un ciclo de aproximadamente 11 años mientras que la sismicidad se mantiene relativamente constante independientemente de si la actividad solar es máxima o mínima o se encuentra en algún punto intermedio. Los datos con los cuales se genera esta gráfica son abierto así que el análisis es trasparente y como comentan en ese blog, cualquiera con un poco de curiosidad, tiempo y Excel puede replicar el resultado.

A mi parecer no es sorprendente el resultado y es que meditándolo un poco recordemos que los sismos suceden por el arrastre y empuje de las placas tectónicas que pesan millones y millones y millones de kilogramos. Los esfuerzos que puede ejercer el viento solar sobre la parte solida de la Tierra palidecen en comparación a las fuerzas tectónicas, además, no está claro que las interacciones electromagnéticas jueguen un rol terriblemente importante en los mecanismos que determinan la sismicidad.

Hay más, como muestra la siguiente imagen solo una parte pequeña de la radiación total del sol penetra la atmósfera y llega a la superficie terrestre. La mayor parte de la radiación es absorbida por la atmósfera, para nuestra gran fortuna ya que de lo contrario no habría vida en la Tierra. Entonces si era difícil que el total de la radiación solar contribuyese a la producción sismica del planeta, es aun más difícil que lo haga la pequeña fracción que penetra hasta la superficie.

Absorción (o transmisión) de radiación por la atmósfera terrestre.

Ahora bien, el análisis es de solo 30 años de datos, es verdad, pero no anticipo que con el paso del tiempo la gráfica que compara sismicidad y erupciones solares cambie sustancialmente. Los invito a que visiten The Sun Today para un análisis más detallado, vale la pena.

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Monitoreo volcánico: El Popocatépetl

23 04 2012

El Popocatépetl anda malhumorado. Los que hemos vivido cerca del volcán en las ciudades de México, Puebla, Cuernavaca o Tlaxcala por ejemplo estamos ya un tanto acostumbrados a la actividad episódica de este majestuoso volcán que se iza a 5,542m sobre el nivel del mar y es la segunda montaña más elevada del país. Pero ¿cómo se le toma el pulso al volcán, para conocer su humor y estado de salud?

En una de las primeras entradas de este blog discutí que los volcanes se pueden clasficar, grosso modo, en dos tipos, estrato-volcanes y volcanes de tipo escudo y cada uno de ellos tiene diferentes riesgos asociados a el. El Popocatépetl es un ejemplo clásico de un estrato-volcán lo cual significa que su actividad eruptiva es episódica (la noticia buena) pero altamente explosiva (la noticia mala). Claro, por el lado optimista el Popocatépetl es el volcán mejor instrumentado del país y es el menor de sus tremores es registrado por diversos instrumentos geofísicos instalados en sus laderas. ¿Cuáles?

En México el monitoreo volcánico corre a cargo del Centro Nacional de Prevención de Desastres (CENAPRED) y puede dividirse en 4, el monitoreo visible con cámaras, el monitoreo sísmico con sismómetros, el monitoreo geodésico con GPS de alta resolución e inclinómetros y el monitoreo geoquímico que intenta medir la composición de los gases que exhala el volcán.

Instrumentación geofísica para el monitoreo del Popocatépetl. Fuente: CENAPRED (www.cenapred.unam.mx/es/Instrumentacion/InstVolcanica/MVolcan/RedMonitoreo/)

El monitoreo visible sencillamente nos permite ver si hay actividad o no en el volcán y el Cenapred opera una cámara de luz visible y una infraroja en la estación Altzomoni a 4000m de altura en el flanco norte del volcán. Existen también 18 sismómetros y son estos la línea de monitoreo más importante. En la animación subsecuente se ilustra como al ascender el magma por el edificio volcánico genera un aumento en la actividad sísmica. Esto se puede entender fácilmente, recuerden de la entrada sobre los tipos de volcán que el magma de los estrato-volcanes es altamente viscoso y le resulta dificil moverse, por ello cuando asciende roza, fractura y tritura la roca del interior del edifico produciendo pequeños sismos. Cuando los volcanes entran en fase eruptiva el incremento en actividad sísmica es extremadamente obvio, y por ello hay tanto sismómetros instalados en el volcán.

Otra línea de defensa son los instrumentos geodésicos, estos son aquellos que miden directamente la deformación del cono volcánico y consisten en el GPS y los inclinómetros. Utilizando GPS de alta precisión capaces de medir desplazamientos del orden de centímetros (el GPS de un automóvil tiene una precisión de varios metros) es posible medir pequeños cambios en el tamaño del volcán. Los inclinómetros, como su nombre lo indica, miden como se inclinan las laderas del volcán, y es que al llenarse el edifico con una recarga de magma, se infla y expande moviendo tanto las estaciones de GPS como los inclinómetros y de esta forma es posible escudriñar si el volcán se acerca a un nuevo episodio eruptivo.

La ultima línea de defensa es el monitoreo geoquímico que implica medir la cantidad y naturaleza de las exhalaciones del volcán. Como discutí en la entrada sobre los tipos de vulcanismo el magma contiene siempre gases en solución como vapor de agua, dióxido de carbono, dióxido de azufre y muchos otros. Conforme el magma asciende la presión que lo mantiene confinado disminuye y entonces estos gases escapan de su prisión magmática hacia la atmósfera por el cráter o fisuras en el edificio, ello es lo que se ha observado con mayor frecuencia en días recientes en el Popcatépetl. Grandes columnas de gas que ascienden a veces miles de metros por encima del volcán.

Por supuesto, es la combinación de todas estas mediciones la que guía las decisiones del nivel de alertamiento pues  cada una de ellas da distintos tipos de información. Si bien el monitoreo volcánico es una ciencia avanzada, cada volcán es diferente y cada erupción es diferente. No hay metodologías únicas para determinar exactamente cuando comenzará una erupción mayor, mas bien, con estos instrumentos lo que es posible determinar es que el riesgo ha aumentado sustancialmente. En el CENAPRED el Comité Científico Asesor evalúa todos los datos disponibles y determina el tipo de alerta. Los riesgos que se pueden esperar por un incremento en la intensidad de la actividad Eruptiva del Popocatépetl son conocidos. Existe un mapa de riesgos volcánicos elaborado por el Instituto de Geofísica de la UNAM.

Mapa de peligros volcánicos del volcán Popocatepetl. Fuente: CENAPRED.

Se puede observar en el mapa que los peligros principales son los flujos piroclásticos que son flujos de material incandescente, ceniza y rocas calientes que se pueden producir durante una erupción mayor. Otro peligro es el de los lahares que son avalanchas de lodo que descienden por los valles en las laderas del volcán. Sin embargo dado que la cubierta de hielo del Popcatépetl se ha visto disminuida en tiempos recientes creo que este peligro es menor (mas no nulo) que el de un flujo piroclástico, ambos tipos de comportamiento los discutimos aqui. De nuevo, dado que este tipo de volcán tiene magmas de altisima viscosidad los flujos de lava se confinan a las cercanías del cráter y no se espera que sean un gran peligro, no es volcán de Hollywood este muchacho. El mapa también muestra que las grandes ciudades, México, Puebla, Cuernavaca y Tlaxcala se encuentran marginalmente fuera del área donde se esperarían grandes afectaciones mas alla del inconveniente de la caida de ceniza.Sin embargo es importante estar atentos a las recomendaciones de Protección Civil.

Uno de los grandes riesgos, a mi parecer, es para la aviación. Como se observó en el caso del volcán Eyjafjallajokull en Islandia las grandes columnas de ceniza, de llegar a las partes altas de la troposfera impiden la operación segura de aeronaves. Esto porque la ceniza es en realidad pequeños fragmentos de vidrio y pueden ser extremadamente abrasivos, especialmente par los alabes de una turbina. Dada la proximidad del Popcatépetl al aeropuerto Internacional de la Ciudad de México, exhalaciones grandes de ceniza y condiciones de viento desfavorables podrían producir disrupciones en la aviación civil y comercial.

Los riesgos a causa del volcán son conocidos y existe el personal y la instrumentación suficiente para mantener al volcán bajo resguardo y a la población informada. Sin embargo han flotado muchos rumores sobre la posible conexión entre este episodio de actividad volcánica y el sismo de Ometepec de magnitud 7.4. Si bien estos dos fenómenos son hermanos de la misma familia ya que son producto de la tectónica de placas de una zona de subduccíon, no existe evidencia alguna de que los grandes sismos sean el factor que desencadena las erupciones volcánicas. Ya platicamos también que en realidad tampoco hay un incremento anómalo en la actividad sísmica es sencillamente la actividad tectónica normal de la Tierra. Vivimos en un planeta y en un país activo que constantemente esta siendo transformado por fuerzas geológicas. Los fenómenos que se viven en tiempos recientes no son mas que una expresión normal del interior pulsante de nuestro bello planeta.





¿Porqué tiembla tanto últimamente? (edición 2012)

14 04 2012

No existe evidencia de actividad sísmica anomalamente alta

Ya lo pronosticaba Molotov pero para el pesar de los chamanes, místicos y los catastrofistas no hay indicios de que este temblando más de lo normal. La Tierra sigue viento en popa, al menos en cuestiones tectónicas…

Esta es una pregunta común y una que me han hecho mucho en días recientes. Parece surgir siempre que hay un sismo grande. De hecho ya habíamos platicado de ello hace algunos ayeres en el 2010 con relación al sismo de Haití así que vale la pena visitar de nuevo la cuestión, van los numeritos

Magnitud 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 Promedio 1900-2012
8.0-9.9 1 2 1 2 4 0 1 1 1 2 1
7.0-7.9 14 14 10 9 14 12 16 23 19 4 15
6.0-6.9 140 141 140 142 178 168 144 151 185 37 134
5.0-5.9 1,203 1,515 1,693 1,712 2,074 1,768 1,896 2,069 2,276 533 1319
4.0-4.9 8,462 10,888 13,917 12,838 12,078 12,291 6,805 10,303 13,315 2,569 13,000 (estimados)
3.0-3.9 7,624 7,932 9,191 9,990 9,889 11,735 2,905 4,326 2,791 445 130,000 (estimados)
2.0-2.9 7,727 6,316 4,636 4,027 3,597 3,860 3,014 4,624 3,643 679 1,300,000 (estimados)

Tabla 1: Sismicidad anual de 2003 a la fecha y promedio de sismicidad anual para el periodo 1900-2012. Fuente: National Earthquake Information Centre (NEIC)

Las estadísticas hablan por si solas, a pesar de lo que recientemente se percibe como un incremento en la sismicidad mundial, no lo es tal. La actividad durante el 2012 no es mayor que el promedio anual.

El lector más perspicaz notará que el promedio anual estimado de sismos menores a 4.0-4.9 es mucho mayor que el realmente observado. Ello se debe a que los sismos pequeños son difíciles de medir y muchas veces pasan desapercibidos sin ser registrados por alguna red sísmica. El promedio estimado se basa en la ley de Gutenberg-Richter que indica un incremento logarítmico en el número de sismos mientras menor es la magnitud.

En fin, creo, como argumenté antes, que el incremento percibido en la sismicidad mundial se debe a la modernización de la comunicación y de las interacciones humanas. Hoy, a través de las redes sociales y del interenet sabemos lo que sucede en cada rincón del planeta casi en tiempo real. Esta sobredosis de información es lo que nos hace pensar que hay un incremento anómalo en el número de sismos. Pero mis amigos los números, frios y calculadores como son, muestran que no.





¡Réplicas!

3 04 2012

El lunes 2 de abril sucedió la réplica más grande del sismo del 20 de marzo, que por cierto ya tiene nombre y es el sismo de Ometepec. En fin, el pasado lunes ocurrió un sismo de 6.3 que rápidamente fue catalogado como réplica, pero ¿qué son y porqué ocurren las replicas?

Resumen ejecutivo: Las replicas son perfectamente normales, de magnitud menor a la del sismo principal y ocurren en las cercanías al sismo principal. Mientras más grande el sismo más grandes las replicas y mayor el tiempo (a veces meses y años) que se producirán réplicas. La figura 1 muestra un esquema del comportamiento tradicional de las réplicas cortesía del glosario del USGS. El eje vertical es el número de eventos y el horizontal el tiempo.

Figura 1: Cantidad de réplicas (aftershocks) después del sismo principal (mainshock) a lo largo del tiempo.

Hay más. Recordemos que como muestro en la animación siguiente los sismos ocurren por el deslizamiento de una placa tectónica junto a otra.  A la evolución del deslizamiento a lo largo del tiempo es a lo que llamamos el “ciclo sísmico”. En tiempos de paz cuando no hay sismo las placas están atascadas, incapaces de moverse y por ello acumulan energía, cuando la acumulación de la energía es tal que ya no pueden resistir deslizan, y al deslizar crujen una junto a la otra produciendo vibraciones u ondas que son lo que sentimos en superficie como la sacudida.

Figura 2: Animación del ciclo sísmico

La animación es una idealización por supuesto ya que durante un sismo no desliza toda la placa tectónica si no más bien solo un segmento de ella. La figura 3 muestra el mapa de deslizamientos para el sismo de Ometepec calculado por el National Earthquake Information Centre (NEIC). Lo que observamos en este mapa es cuanto deslizamiento sucedió en la interfase entre las placas, 4.5 metros de deslizamiento máximo. Ahora bien 4.5 metros no parece una figura apabullante pero recuerden que son decenas de kilómetros de roca lo que se movió, las cantidades de energía involucradas son enormes.

Figura 2: Mapa de deslizamientos del sismo de Ometepec calculado por NEIC.

¿Qué tiene todo esto que ver con las réplicas? Bueno, el deslizamiento libera la energía que se había acumulado en ese sector del contacto entre las placas, pero esos 4.5 metros de movimiento se tienen que acomodar en otro lado, el deslizamiento transfiere esfuerzos y energía a otras zonas de la interfase. Podemos pensar que las replicas son el re-acomodo que a regañadientes hacen las placas después del golpe del sismo principal.

Pongámonos un poco técnicos, la figura 4 muestra el esfuerzo de Coulomb producido por el sismo de Homestead en California. En breve, cuando el esfuerzo de Coulomb aumenta (color rojo) significa que la roca en esa zona esta sujeta a fuerzas mayores gracias al ultimo sismo y por tanto es mas factible que se rompa produciendo réplicas. Si el esfuerzo de Coulomb disminuye (morado) la roca se ha relajado por el sismo y es menos factible que se rompa. Los círculos blancos muestran como las replicas ocurren preferentemente en zonas donde aumentan los esfuerzos de Coulomb y son pocas en zonas donde disminuyen los esfuerzos de Coulomb. A este efecto se le llama “sombra de esfuerzos”

Figura 4: Esfuerzos de Coulomb y réplicas del sismo de Homestead en California. Los colores rojizos indican un aumento del esfuerzo de Coulomb, los morados una disminución. Figura tomada del trabajo de 1994 de King y colaboradores.

Las réplicas son normales. Ocurren en las zonas aledañas al sismo donde aumentan los esfuerzos de Coulomb y disminuyen en frecuencia con el paso del tiempo conforme se difuminan estos esfuerzos. Dado que el sismo de Ometepec fue de magnitud 7.4 podemos esperar replicas al menos unos cuantos meses más.





El manto líquido no es líquido, o bueno, quizas un poco

29 05 2011

Uno de los primeros modelos geofísicos que aprenden la mayoría de las personas es que la Tierra esta constituida por 4 capas, el núcleo interno, el núcleo externo, el manto y la corteza. Creo que es en este momento que la noción que el manto es líquido, hecho de magma y que las placas tectónicas flotan como balsas sobre él hecha raíces en la gente. Confieso con un poco de pena que hasta que comencé a estudiar geofísica yo mantenía una imagen similar de como estaba constituida la Tierra.

No es que sea una grotesca mentira pero la realidad es más complicada y mucho más interesante. Porque si me permiten filosofar un poco, ¿Qué es o en donde termina lo líquido y comienza lo solido? En el caso del agua y el hielo esta bien claro, pero el chapopote, esa plasta viscosa utilizada para asfaltar las calles ¿es un líquido espeso o un sólido blando? La respuesta científica a esta pregunta es que la distinción entre fluido y sólido es solo de grado y hay en realidad un continuo entre lo muy fluido y lo muy sólido, esto es lo que mide una cantidad llamada viscosidad.

La viscosidad es una medida de la resistencia interna de un liquido al flujo, el agua es poco viscosa el aire aun menos, el dulce de leche es muy viscoso. Una de las preguntas recurrentes en geofísica que aun no tiene una respuesta final es ¿cuál es la viscosidad del manto? Si bien no tenemos la respuesta exacta porque el manto cambia con la profundidad y cambia lateralmente, es decir hay estructuras complejas en su interior, sabemos con razonable certeza que en promedio el manto tiene una viscosidad de unos 1021 Pa-s (Pascal segundos) mientras que el agua tiene una viscosidad de 10-3Pa-s esto es que el manto es un millón de millón de millones más viscoso que el agua. Asi es, el manto es muy, muy viscoso, pero no es completamente solido.

Esta viscosidad tan alta implica que en escalas de tiempo humanas, digamos de unos cuantos años, el manto se comporta como una roca, es solido, imbatible. Pero cuando uno comienza a mirar el comportamiento del manto en escalas de tiempo planetarias (miles de años o más) comienza a descubrir que este se comporta como un fluido. Es gracias a ello que existe la tectónica de placas.

El manto absorbe calor en su base producido por el núcleo (a 2,890km de profundidad) la roca al calentarse se expande, se vuelve menos densa, más ligera y comienza a ascender, al llegar a la superficie se enfría y forma la corteza rígida del planeta que se quiebra en varias partes como un vidrio caliente al tocar el agua fría y forma las placas tectónicas. Cuando se enfría lo suficiente la corteza se vuelve más densa, pesada y desciende de nuevo hacia las profundidades (estas son las zonas de subducción) calentándose mientras desciende reinciando el ciclo, este fenómeno es la convección y lo puede uno mirar al calentar cualquier líquido. El video a continuación muestra una simulación numérica de ello.

Completar un ciclo convectivo como este lleva cientos de miles de años. En estas escalas de tiempo el manto definitivamente es líquido. Pero de nuevo, en escalas humanas la historia es otra, si pudiéramos perforar un pozo hasta el contacto entre el manto y la corteza (a unos 30 km de profundidad y aun no lo hemos logrado) lo único que encontraríamos es una roca, dura, hecha de cristales verdes de olivino, pesada, muy bonita, llamada peridotita.

Esto no significa que no existan partes del manto superior que en verdad sí son líquidas, después de todo la lava que emerge de los volcanes tiene que venir de algún lado. Proviene del manto, de reservorios aislados llamados cámaras magmáticas que contienen roca que se ha fundido por la presencia de compuestos volátiles (comúnmente agua o dióxido de carbón) o por descompresión. Sin embargo, estas cisternas de roca fundida ocupan volúmenes reducidos del manto superior y de la corteza.

Entonces ¿que hay de esta historia que las placas tectónica son balsas que flotan sobre el manto? Bueno, en realidad sí lo son y sí flotan sobre un manto líquido, pero como he descrito, ni Matusalén hubiese vivido lo suficiente para observar este comportamiento fluido.

Como en muchos otros ámbitos de la ciencia, preguntas aparentemente simples entretejen niveles de complejidad imprevistos, es ello lo que vuelva a la investigación científica una experiencia placentera, en otra ocasión hablaremos del núcleo que es mucho más complicado que el manto. Está más lejos de nosotros, lo cual lo hace difícil de observar y además en él el magnetismo, que no tiene un gran efecto en el manto, juega un papel fundamental. Como dijo Henri Poincaré, “Si la naturaleza no fuera hermosa no valdría la pena comprendela y si no valiese la pena comprender la naturaleza no valdría la pena vivir la vida.”