¿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.





¿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.





Inversiones geomagnéticas o cuando el mundo se hace al revés

21 06 2010

Ricardo Arjona con versos forzados preguntaba alguna vez ¿sí el norte fuera el sur? La respuesta la han estado esbozando los geomagnetistas desde hace ya algunos años y es que el norte ya ha sido el sur y de nuevo el norte y otra vez el sur. Así es, durante la historia geológica los polos magnéticos han intercambiando posiciones centenares y quizás hasta miles de veces en una danza al ritmo de la física.

Este es uno de los fenómenos que mas atrapan la imaginación de los geofísicos y que se presta para hilvanar las mejores historias. El descubrimiento de las inversiones geomagnéticas fue el pilar empírico más importante para demostrar la veracidad de la teoría de la tectónica de placas, que en los años sesenta aun era motivo de debate. Ademas, este aparente errar de los polos magnéticos por el tiempo nos permite inferir como se comporta el núcleo externo de la Tierra, ese gigante y turbulento cascaron de hierro fundido que es absolutamente inalcanzable a la tecnología humana. Pero vamos por partes.

¿Cómo sabemos que existen estas inversiones geomagnéticas?

Primero, cuando se forman las rocas en las profundidades marinas en las dorsales oceánicas estas comienzan como magma, roca fundida. Al emerger al fondo del océano eventualmente se enfrían, solidifican y pasan a formar parte de la corteza oceánica que se aleja, sobre su placa tectónica, de la dorsal misma. Estas rocas del fondo marino tiene un alto contenido de un mineral muy especial llamado magnetita, que, como su nombre lo indica, es altamente magnetizable. Cuando la roca esta fundida los granos de magnetita pueden moverse libremente como agujas de una brújula y tienden a alinearse con el campo magnético de la Tierra. Después, cuando la roca se enfría lo suficiente los granos de magnetita no pueden moverse más y quedan por siempre atrapados en la posición que les dicto el campo magnético de la Tierra. A la temperatura a la cual sucede esto se le llama temperatura de Curie en honor a Pierre Curie que estudio la relación entre el magnetismo y el calor; a la magnetizacion que adquiere la roca se le llama magnetismo termoremanente.

En 1963 Fred Vine y Drummond Mathews publicaron los resultados que obtuvieron en una serie de cruceros científicos realizados en el Pacífico. Vine y Mathews midieron con un magnetómetro el campo magnético que producen las rocas del fondo marino y encontraron un curioso patrón bandeado. En la figura se muestra este patrón, las zonas coloreadas indican las partes de la corteza oceánica en donde las rocas están magnetizadas de forma “normal” es decir, apuntan al norte. Las zonas blancas son donde las rocas están magnetizadas de forma invertida, es decir, donde apuntan hacia el sur.

Anomalías magnéticas medidas por Vine y Mathews en las costa noroeste de Norteamérica

Con estos datos Vine y Mathews concluyeron que la única forma de explicar este patrón era admitiendo que el campo magnético de la Tierra se ha invertido en el pasado, de tal suerte que conforme se producen rocas nuevas en las dorsales oceánicas estas registran como fieles escribas la historia magnética del planeta. Posteriormente se ha verificado esta hipótesis con mediciones en tierra de flujos volcánicos. En la siguiente figura vemos una reconstrucción del pasado magnético del planeta. El tiempo esta indicado en millones de años, las partes negras corresponden a periodos de polaridad normal, donde el norte es el norte, y las partes blancas a periodos de polaridad invertida donde, para gusto de Arjona, el norte es el sur.

Historia geomagnética, las zonas negras indican periodos de polaridad normal, las blancas periodos de polaridad invertida, el tiempo se indica en millones de años

Es interesante notar que no hay un patrón claro o facil de entender en las inversiones, no suceden cada determinado intervalo de tiempo, a veces son muy frecuentes y a veces duran 40 o 50 millones de años. Esto se debe a que el motor que genera el campo magnético de la Tierra es propenso a cambiar de parecer sin avisarle a nadie, este es el núcleo externo del planeta. Esta región de las profundidades de la Tierra está constituida por hierro fundido a 4000°C y a un millon y medio de atmósferas de presión. Este fundido esta en constante flujo y es este movimiento de un fluido que además es excelente conductor lo que produce el campo geomagnético.  El comportamiento del núcleo externo es complicado, turbulento, distribuye el calor entre el núcleo interno y el manto, esta siempre sujeto a condiciones cambiantes, corrientes que ascienden, otras que descienden, vórtices, y remolinos es un sistema perfectamente caótico. No hay forma de saber (aun) como será el flujo del fundido en el futuro y es este aparente desorden la razón por la cual las inversiones no parecen obedecer regla alguna.

Existen modelos físicos que han podido simular este comportamiento, pero esta es una rama de la geofísica aun altamente teórica, llamada magentohidrodinámica, que tiene aun muchas preguntas por responder.

Bien, el campo geomagnético se invierte, pero ¿qué pasa en la transición de una polaridad a otra? Sabemos que el campo magnético es lo único que nos guarece del embate de la radiación solar, sería catastrófico si cada inversión resultara en un periodo sin campo magnético donde la superficie del planeta quedara a merced de la radiación solar, habría extinciones masivas con cada cambio de polaridad. Afortunadamente este no es el caso.

Los estudios paleomagnéticos que indagan el comportamiento pasado del campo han descubierto que aunque este pierde fuerza no se desvanece del todo lo cual es una gran noticia pues aunque los polos tengan un caprichoso deambular, el campo sigue siendo el suficiente para proteger a la vida que habita el planeta. Estos mismos estudios han calculado que las inversiones no son instantáneas, duran unos 20 mil o 30 mil años, en este periodo de transición los polos comenzarían a desviarse significativamente de su posición actual (ver figura) y podrían inclusive alcanzar regiones subtropicales antes de invertir definitivamente su posición.

Camino que siguen los polos norte y sur durante la transición entre un estado normal del campo magnético y uno invertido.

Esto se prestaría para situaciones que antes creíamos eran absurdas, cuando los polos se encuentran en zonas tan alejadas de los polos geográficos se observarian auroras boreales sobre el Castillo de Chapultepec, o sobre las selvas tropicales de África y América del Sur.

Las mediciones actuales indican que estamos en un periodo en que la intensidad del campo geomagnético viene a la baja, lo cual podría ser indicativo de que nos encaminamos hacia una inversión en unos cuantos miles de años, sin embargo, la naturaleza caótica de este fenómeno imposibilita cualquier predicción así que de momento nos limitaremos a imaginar como seria ser testigo de como la Tierra cambia de humor, de norte a sur.