GRAVIMETRIA
A gravimetria é a ciência que estuda o campo gravítico da Terra e as suas variações, baseando-se na medição da aceleração gravítica. Quando falamos em campo gravitacional da Terra não nos referimos apenas à força gravitacional exercida pela Terra, mas também a todas as forças que atuam sobre qualquer corpo em repouso na sua superfície. Por outras palavras, qualquer corpo na superfície da Terra ou próximo dela está sujeito à ação de várias forças, principalmente às três seguintes:
- Atração Newtoniana gerada pela massa da Terra (gravitação).
- Força centrífuga exercida pela rotação da Terra.
- Atração gerada pelos outros corpos celestes no sistema solar (forças da maré).
A resultante de todas estas forças é chamada a força da gravidade e caracteriza-se por ser função da posição e do tempo.
[Ref.] https://moon.nasa.gov/moon-in-motion/tides/
PRINCIPIO DE FUNCIONAMENTO
A gravimetria estuda as variações no espaço e no tempo do campo gravitacional terrestre, recorrendo a múltiplas técnicas e diferentes tipos de instrumentos. Destacam-se os seguintes métodos:
- Métodos espaciais: Estes são aqueles em que a diferença de gravidade entre dois ou mais pontos é determinada. Os valores obtidos nestes pontos de referência são utilizados para modelar o comportamento dos gravímetros. Estes modelos são, posteriormente, utilizados para corrigir as observações feitas em outros pontos.
- Métodos temporais: Estes métodos determinam a diferença de gravidade ao longo do tempo num único ponto. Estas diferenças podem ser obtidas por medições únicas ou contínuas, dependendo das características do gravímetro.
- Métodos espaço-temporais: Métodos amplamente utilizados atualmente que combinam os dois métodos anteriores. Consiste em observar múltiplos pontos dentro de uma determinada área por um determinado período de tempo, a fim de analisar a sua evolução temporal.
As variações da gravidade que podem ser observadas podem ter origens distintas, por exemplo:
- Mudanças globais na gravidade: Causadas por circunstâncias de magnitude suficientemente significativa para gerar uma variação de alcance global. Entre outras causas, este tipo de variação está relacionado com alterações no eixo de rotação da Terra, na distribuição das massas convectivas (atmosfera, hidrosfera e manto terrestre), ou com eventos sísmicos em grande escala. As variações globais são atualmente estudadas principalmente com os registos de missões espaciais tais como GRACE (Gravity Recovery and Climate Experiment), GOCE (Gravity field and Ocean Circulation Explorer) e CHAMP (Challenging Mini-satellite payload).
- Mudanças regionais na gravidade: Estas alterações são as que ocorrem em grandes áreas do planeta (centenas a milhares de km). Caracterizam-se por ter, geralmente, um longo período ou uma tendência clara. Exemplos deste tipo de mudança podem ser encontrados nas regiões limite de placas tectónicas, onde ocorrem fraturas depois de períodos de acumulação de stress. Também se podem encontrar exemplos em zonas intraplaca devido ao ressalto pós-glacial, compactação sedimentar ou neotectónica regional. Nas dorsais médio-oceânicas eventos como a elevação regional, a diminuição da gravidade nos flancos da fenda, e o aumento na parte central podem ser facilmente detetados. As amplitudes destas variações regionais podem atingir dezenas de µGal [1 Gal = 1 cm/s2].
- Mudanças locais na gravidade: Podem ser causados por várias razões, tais como a atividade sismo-tectónica e vulcânica nos limites das placas, bem como em zonas interiores da placa. Estas variações são localizadas em zonas de pequena extensão. Também se deve ter em consideração todas as possíveis mudanças locais geradas pelas grandes massas de água subterrâneas nas zonas em análise ou as mudanças geradas por ação humana.
INSTRUMENTAÇÃO
Dependendo da aplicação das observações, em alguns casos existe interesse em medir o valor absoluto da gravidade, e noutros casos, a sua variação (temporal ou dependente da localização). Faz-se assim uma distinção entre medições absolutas e relativas da gravidade, utilizando instrumentos diferentes em cada caso.
- Medições absolutas da gravidade: Estas determinam o valor total da aceleração da gravidade no ponto de observação (módulo da componente vertical da aceleração da gravidade) em função dos observáveis fundamentais, distância e tempo. Tradicionalmente, distinguem-se dois métodos de medição fundamentais:
- Método do pêndulo (já não utilizado atualmente)
- Método de queda-livre, baseado na queda repetida de uma massa no vácuo e na monitorização das suas trajetórias através da recolha simultânea de pares de distância e tempo.
- Medições relativas da gravidade: Todos os gravímetros relativos são baseados no equilíbrio de forças para medir as variações do campo de gravidade entre dois pontos diferentes ou entre dois momentos temporais. Esta instrumentação está dividida principalmente em 3 grupos:
- Gravímetros de pendulo;
- Gravímetros de mola: Baseiam-se no alongamento de uma mola da qual pende uma massa que quando sujeita à ação do campo gravitacional e de uma força para contrariar as alterações do campo, mantem a massa em equilíbrio.
- Gravímetros supercondutores (SG): A suspensão da massa por mola é substituída pela levitação magnética de uma esfera supercondutora. A introdução dos SG, na década de 80, melhorou drasticamente todos os estudos de variações da gravidade temporal. Ao contrário dos gravímetros de mola, os SG caracterizam-se por uma estabilidade a longo prazo sem precedentes, maior precisão e um desvio instrumental significativamente menor. Ao utilizar a levitação magnética em vez de um dispositivo mecânico, evitam-se ainda os problemas de efeitos mecânicos e térmicos.
[Ref.] IGETS http://igets.u-strasbg.fr/
O Instituto Geográfico Nacional de Espanha (IGN) dispõe de vários gravímetros supercondutores e de mola instalados em diversos locais.
PRODUTOS
Os resultados obtidos a partir de observações gravimétricas são traduzidos numa série de produtos, sob a forma de redes ou cartografia, que servem de enquadramento gravimétrico a nível nacional e internacional.
As redes gravimétricas são criadas a partir de estações onde a gravidade foi determinada com instrumentos absolutos ou relativos. Dependendo dos dados gerados e da sua extensão, são classificados como redes de ordem zero, de primeira ordem, de segunda ordem ou locais.
Em Espanha, o IGN tem a tarefa de desenvolver e manter a rede REGA (Rede de Gravimetria Absoluta Espanhola), que é composta por mais de 130 estações distribuídas por todo o território nacional espanhol.
APLICAÇÕES
A gravimetria é utilizada tanto para o conhecimento do campo gravitacional como para outros campos de estudo em que este conhecimento intervém de forma auxiliar, transformando a técnica em múltiplas aplicações, entre as quais se destacam as seguintes:
- Determinação do geoide;
- Estudo das propriedades internas da Terra;
- Monitorização de processos vulcânicos;
- Prospeção de hidrocarbonetos e recursos minerais;
- Arqueologia;
- Nivelamento de alta precisão;
- Estudos sobre alterações climáticas;
- Determinação dos parâmetros de orientação da Terra;
- Metrologia
Por outro lado, se nos concentrarmos nos dados registados pelos gravímetros supercondutores, as aplicações mais comuns são:
- Registo histórico para o estudo e análise das marés terrestres;
- Aplicações em hidrologia e vulcanologia, detetando variações e movimentos de massa;
- Estudo dos sinais geodésicos relacionados com os diferentes movimentos dos pólos;
- Estudos geodinâmicos globais.
[Ref.] Imagem por GGOS.