GRAVIMETRÍA
La gravimetría estudia el campo gravitacional terrestre y sus variaciones. Para ello se basa en la medición de la aceleración por la que se manifiesta dicho cambio. Por campo gravitacional terrestre no solo entendemos la fuerza gravitatoria ejercida por la Tierra, sino el conjunto de las fuerzas que actúan sobre un cuerpo en reposo en la superficie terrestre. Es decir, cualquier cuerpo situado sobre la superficie terrestre o próximo a ella se encuentra sometido a la acción de varias fuerzas, principalmente las tres siguientes:
- Atracción newtoniana de la masa de la tierra (gravitación).
- Fuerza centrífuga ejercida por la rotación de la Tierra.
- Atracción generada por los otros cuerpos celestes del sistema solar (fuerza de marea).
La resultante de todas estas fuerzas se denomina fuerza de gravedad y se caracteriza por ser función de la posición y del tiempo.
[Ref.] https://moon.nasa.gov/moon-in-motion/tides/
PRINCIPIO DE FUNCIONAMIENTO
La gravimetría estudia las variaciones espacio-temporales del campo gravitacional terrestre empleando múltiples técnicas y diferentes tipos de instrumentos. Se destacan los siguientes métodos:
- Métodos espaciales: Son aquellos en los que se determina la diferencia de gravedad entre dos o más puntos. Los valores obtenidos en estos puntos de referencia se utilizan para modelar el comportamiento de los gravímetros. Estos modelos se utilizan posteriormente para corregir observaciones realizadas en otros puntos.
- Métodos temporales: estos métodos determinan la diferencia de gravedad a lo largo del tiempo en un solo punto. Estas diferencias se pueden obtener mediante mediciones únicas o continuas, dependiendo de las características del gravímetro.
- Métodos espacio-temporales: Métodos actualmente muy utilizados que combinan los dos métodos anteriores. Consisten en observar múltiples puntos dentro de un área determinada durante un período de tiempo determinado, con el fin de analizar su evolución temporal.
Las variaciones de gravedad que se pueden observar pueden tener diferentes orígenes, por ejemplo:
- Cambios globales de gravedad: Provocados por circunstancias de magnitud suficientemente significativa como para generar una variación de alcance global. Entre otras causas, este tipo de variación está relacionada con cambios en el eje de rotación de la Tierra, en la distribución de masas convectivas (atmósfera, hidrosfera y manto terrestre), o con eventos sísmicos de gran escala. Las variaciones globales se estudian actualmente principalmente con registros de misiones espaciales como GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment), GOCE (Gravity field and Ocean Circulation Explorer) y CHAMP (Challenging Mini-satellite payload).
- Cambios regionales de gravedad: Estos cambios son aquellos que ocurren en grandes áreas del planeta (cientos a miles de kilómetros). Se caracterizan por tener generalmente un periodo largo o una tendencia clara. Se pueden encontrar ejemplos de este tipo de cambio en las regiones límite de las placas tectónicas, donde se producen fracturas después de períodos de acumulación de tensiones. También se pueden encontrar ejemplos en zonas intraplaca debido a rebote posglacial, compactación sedimentaria o neotectónica regional. En las dorsales oceánicas se pueden detectar fácilmente fenómenos como el levantamiento regional, la disminución de la gravedad en los flancos del rift y el aumento en la parte central. Las amplitudes de estas variaciones regionales pueden alcanzar decenas de µGal [1 Gal = 1 cm/s^2].
- Cambios locales en la gravedad: Pueden ser causados por varias razones, como la actividad sismo-tectónica y volcánica en los límites de las placas, así como en áreas interiores de la placa. Estas variaciones se localizan en zonas de pequeña extensión. También se deben tener en cuenta todos los posibles cambios locales generados por grandes masas de agua subterránea en las zonas analizadas o cambios generados por la acción humana.
Instrumentación
Dependiendo de la aplicación de las observaciones, en algunos casos interesa medir el valor absoluto de la gravedad y, en otros, su variación (temporal o dependiente de la ubicación). Se distingue así entre medidas absolutas y relativas de la gravedad, utilizando en cada caso instrumentos diferentes.
- Mediciones de gravedad absoluta: Determinan el valor total de la aceleración de la gravedad en el punto de observación (módulo de la componente vertical de la aceleración de la gravedad) en función de los observables fundamentales, distancia y tiempo. Tradicionalmente se distinguen dos métodos de medición fundamentales:
- Método del péndulo (ya no se utiliza actualmente)
- Método de caída libre, basado en la caída repetida de una masa en el vacío y el seguimiento de sus trayectorias mediante la recopilación simultánea de pares de distancia y tiempo.
- Mediciones de gravedad relativa: Todos los gravímetros relativos se basan en el equilibrio de fuerzas para medir variaciones en el campo de gravedad entre dos puntos diferentes o entre dos momentos en el tiempo. Esta instrumentación se divide principalmente en 3 grupos:
- Gravímetros de péndulo;
- Gravímetros de resorte: Se basan en el estiramiento de un resorte del cual cuelga una masa que, al ser sometida a la acción del campo gravitacional y una fuerza que contrarreste los cambios en el campo, mantiene la masa en equilibrio.
- Gravímetros superconductores (SG): La suspensión de la masa por resorte se sustituye por la levitación magnética de una esfera superconductora. La introducción de los SG en la década de 1980 mejoró drásticamente todos los estudios de variaciones en la gravedad temporal. Los SG se caracterizan por una estabilidad a largo plazo sin precedentes, una mayor precisión y una deriva instrumental significativamente menor. Al utilizar levitación magnética en lugar de un dispositivo mecánico, también se evitan problemas de efectos mecánicos y térmicos.
[Ref.] IGETS http://igets.u-strasbg.fr/
El Instituto Geográfico Nacional de España (IGN) tiene instalados en diversas localizaciones varios gravímetros superconductores y de resorte.
Productos
Los resultados obtenidos a partir de las observaciones gravimétricas se trasladan a una serie de productos, materializados en forma de redes o cartografía, los cuales sirven de marco gravimétrico a nivel nacional e internacional.
Las redes gravimétricas se crean a partir de estaciones donde la gravedad ha sido determinada con instrumentos absolutos o relativos. En función de los datos generados y de su extensión se clasifican en redes de orden cero, de primer orden, de segundo orden o locales.
En España, el IGN tiene como tarea desarrollar y mantener la red REGA (Red Española de Gravimetría Absoluta), la cual está formada por más de 130 estaciones repartidas por todo el territorio nacional.
Aplicaciones
La gravimetría se emplea tanto para el conocimiento del campo gravitatorio per se como para otros campos de estudio en los que dicho conocimiento interviene de forma auxiliar, haciendo que la técnica sea usada en múltiples aplicaciones, entre las que destacan las siguientes:
- Determinación del geoide.
- Estudio de las propiedades internas de la Tierra.
- Monitorización de procesos volcánicos.
- Prospección de hidrocarburos y de recursos minerales.
- Arqueología.
- Nivelación de alta precisión.
- Estudios de cambio climático.
- Determinación de los parámetros de orientación de la Tierra (EOPs).
- Metrología
Por otro lado, si nos centramos en las series registradas por los gravímetros superconductores, siendo las más comunes:
- Registros de largo periodo para el estudio y análisis de mareas terrestres.
- Aplicaciones en hidrología y volcanología, detectando variaciones y movimientos de masa
- Estudio de señales geodésicas relacionadas con los diferentes movimientos de los polos.
- Estudios de geodinámica global.
[Ref.] Imagen por GGOS.