Materia en movimiento: La cambiante gravedad de la Tierra
Por Laura Naranjo
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Según la leyenda, Isaac Newton descubrió la gravedad tras ver caer una manzana de un árbol. Utilizando la palabra «gravitas» (peso en latín), describió la fuerza fundamental que mantiene los objetos anclados a la Tierra. Desde entonces, los científicos han utilizado los mapas de la gravedad de la Tierra para diseñar sistemas de drenaje, trazar redes de carreteras y estudiar las superficies de los terrenos. Pero probablemente Newton no imaginó que la gravedad podría revelar nueva información sobre el ciclo hidrológico global.
Tradicionalmente, los científicos construían mapas de gravedad utilizando una combinación de mediciones terrestres, registros de barcos y, más recientemente, teledetección. Sin embargo, esas mediciones no eran lo suficientemente precisas para captar los ligeros cambios en el movimiento del agua que hacen que la gravedad varíe con el tiempo. Con la ayuda de una nueva misión satelital, los científicos pueden ahora pesar el agua mientras circula por el planeta y relacionar estas mediciones con los cambios en el nivel del mar, la humedad del suelo y las capas de hielo.
Para evaluar mejor estas variaciones de la gravedad, un equipo internacional de ingenieros y científicos desarrolló la misión Gravity Recovery and Climate Experiment (GRACE). Lanzada en marzo de 2002 como una empresa conjunta entre la NASA y el Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt (Centro Aeroespacial Alemán), la misión se llevó a cabo gracias a la colaboración entre el Centro de Investigación Espacial de la Universidad de Texas, el GeoforschungZentrum (Centro Nacional de Investigación de Geociencias de Alemania) y el Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) de la NASA.
Al medir los cambios en la distancia entre el satélite principal y el satélite secundario de la misión GRACE, los científicos pueden determinar los cambios en la gravedad de la Tierra. (Imagen por cortesía del Jet PropulsionLaboratory de la NASA)
GRACE cuenta con dos satélites idénticos, cada uno del tamaño de un coche. Mientras los satélites vuelan a unos 220 kilómetros de distancia, uno detrás de otro, un sistema de microondas controla la distancia entre ellos con una precisión de una micra, más pequeña que un glóbulo rojo. Los científicos pueden trazar un mapa de la gravedad en cualquier lugar de la superficie de la Tierra midiendo los diminutos cambios en la distancia entre los dos satélites a medida que cada uno de ellos acelera y desacelera en respuesta a la fuerza gravitatoria.
Los datos de GRACE, archivados en el Physical Oceanography Distributed Active Archive Center (PO.DAAC) de la NASA en Pasadena, California, y en el GeoForschungZentrum Information System and Data Center (GFZ/ISDC), están cambiando la forma en que los científicos y los modelizadores ven la gravedad. GRACE proporciona mapas mensuales que son al menos 100 veces más precisos que los mapas anteriores a la hora de detallar los cambios en el campo gravitatorio de la Tierra. «La idea clásica de que la gravedad es algo que se mide una vez ya no se acepta. La gravedad es un elemento que los científicos deben seguir controlando», afirma Byron Tapley, director del Centro de Investigación Espacial y principal investigador de la misión GRACE.
Debido a que los científicos no pueden ver, sentir ni observar directamente las fuerzas gravitatorias, cartografían la gravedad de la Tierra mediante un modelo matemático que describe una superficie esférica imaginaria denominada geoide. El geoide representa los océanos como superficies lisas y continuas que no se ven afectadas por las mareas, los vientos o las corrientes. Crea una superficie localmente horizontal contra la que los científicos pueden medir la atracción descendente de la gravedad.
La gravedad está determinada por la cantidad de masa que tiene un determinado material, por lo que cuanta más masa tenga un objeto, más fuerte será su atracción gravitatoria. Por ejemplo, el granito es un material muy denso con un alto nivel de masa, por lo que ejercerá una mayor atracción que el mismo volumen de un material menos denso, como el agua. La masa de la Tierra está distribuida entre varias formas y características del terreno -como las cadenas montañosas, los océanos y las fosas marinas- que tienen diferentes masas, lo que crea un campo gravitatorio desigual.
Este mapa, creado con datos de la misión Gravity Recovery andClimate Experiment (GRACE), revela las variaciones en el campo gravitatorio de la Tierra. Las zonas azules oscuras muestran áreas con una gravedad más baja de lo normal, como el Océano Índico (extremo derecho de la imagen) y la cuenca del río Congo en África. Las zonas rojas oscuras indican áreas con una gravedad superior a la normal. La larga protuberancia roja que sobresale de la parte inferior izquierda de la imagen indica la cordillera de los Andes en Sudamérica, mientras que la protuberancia roja en la parte superior derecha de la imagen indica las montañas del Himalaya en Asia. (Imagen preparada por el Centro de Investigación Espacial de la Universidad de Texas como parte de un esfuerzo de análisis de datos en colaboración con el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA y el GeoForschungsZentrum de Potsdam, Alemania)
En consecuencia, el geoide no forma una esfera perfecta, y en los mapas basados en el geoide, el campo de gravedad de la Tierra presenta protuberancias y depresiones. «Como la distribución de los materiales en el interior de la Tierra varía, su campo gravitatorio tiene colinas y valles. El océano trata de situarse a lo largo de esa superficie accidentada», explica Michael Watkins, científico del proyecto GRACE en el JPL. Por ejemplo, la superficie del océano frente a la punta de la India está unos 200 metros más cerca del núcleo de la Tierra que la superficie del océano cerca de Borneo. Sin las mareas, las corrientes y el viento, la superficie del océano seguiría las colinas y los valles del geoide, reflejando las variaciones de la fuerza gravitatoria de la Tierra.
«El campo gravitatorio de la Tierra cambia de un mes a otro sobre todo debido a la masa de agua que se mueve en la superficie», dijo Watkins. «Como el agua, en todas sus formas, tiene masa y peso, podemos pesar el océano en movimiento. Podemos pesar las precipitaciones y los cambios en los casquetes polares».
Este diagrama ilustra el ciclo hidrológico y muestra cómo el agua circula por encima, debajo y sobre la superficie de la Tierra. Los datos de GRACE pueden conducir a la identificación de nuevas fuentes de agua dulce en las regiones áridas de la Tierra. (Imagen cortesía del Centro de Vuelo Espacial Goddard de la NASA)
GRACE observa el ciclo hidrológico de la Tierra y permite a los científicos seguir el rastro del agua a medida que se evapora en la atmósfera, cae sobre la tierra en forma de lluvia o nieve, o se escurre hacia el océano. «Los principales fenómenos hidrológicos de agua dulce que detecta GRACE son la escorrentía de las lluvias en las grandes cuencas fluviales, como la del Amazonas, y el ciclo de los monzones en la India», explica Tapley.
Detectar la cantidad de agua que entra en los océanos es fundamental para conocer los cambios en el nivel del mar. Otros instrumentos de teledetección pueden observar el cambio del nivel del mar, pero no pueden discriminar entre la expansión térmica (cuando el agua más caliente se expande) y la masa adicional en forma de agua que se añade al océano. «GRACE sólo es sensible a la parte del cambio del nivel del mar que se debe a la adición de masa de agua», explica Don Chambers, investigador del Centro de Investigación Espacial. «La mayoría de los modelos suponen que la masa total del océano es constante, es decir, que no se añade ni se quita agua. Con las mediciones de GRACE, los modelizadores tendrán que tener en cuenta las fluctuaciones de la masa».
El desarrollo de una explicación más precisa del cambio del nivel del mar es importante para países de baja altitud como Tuvalu. Situado en el Océano Pacífico, entre Hawai y Australia, el país es una combinación de nueve islas y atolones (islas de coral en forma de anillo que encierran una laguna). Pero como las islas alcanzan apenas 5 metros sobre el nivel del mar en su punto más alto, son vulnerables a la subida de los océanos. Los datos de GRACE pueden revelar tendencias climáticas a largo plazo que pueden afectar a los cambios en el nivel del mar.
Además de medir los cambios en la masa de agua en la superficie de la Tierra, GRACE puede detectar cambios de humedad a gran escala en el subsuelo. Por ejemplo, durante las olas de calor récord que se produjeron en Rusia en 2002 y en Europa en 2003, los datos de GRACE permitieron a los científicos medir la cantidad de humedad que se evaporó del suelo durante esos períodos tan secos. Esta capacidad también alertará a los hidrólogos de los cambios en los acuíferos y en los suministros de agua subterránea. «Es muy difícil medir cuánta agua hay en la profundidad del suelo y cuánto cambia de un año a otro. GRACE es una de las pocas herramientas que tenemos para hacerlo», dijo Watkins. «Puede ayudarnos a comprender la hidrología local, la evapotranspiración, las precipitaciones y la escorrentía de los ríos, y puede darnos una idea de la cantidad de agua disponible en las profundidades de la Tierra para el riego y la agricultura», dijo Watkins.
Al igual que muchos atolones del Océano Pacífico, Aitutaki, en las Islas Cook, se eleva sólo unos metros sobre el nivel del mar. Varias naciones insulares, como Tuvalu en el Océano Pacífico y las Maldivas en el Océano Índico, están compuestas en su totalidad por islas y atolones de baja altitud, lo que las hace especialmente vulnerables a la subida del nivel del mar. (Imagen cortesía de Laurie J. Schmidt)
Los científicos también están utilizando los datos de GRACE para estudiar el agua congelada en forma de capas de hielo y grandes glaciares. Isabella Velicogna, investigadora de la Universidad de Colorado, estudia los cambios de masa en la capa de hielo de Groenlandia. «Algunos componentes del ciclo estacional en Groenlandia no se conocen muy bien, como la descarga de hielo y la hidrología subglacial. GRACE observa algunos de estos componentes que son difíciles de medir», dijo. Otros instrumentos, como los altímetros, pueden determinar los cambios de elevación en la capa de hielo, pero GRACE ve la masa total, alertando a los científicos sobre la cantidad de hielo y agua que se desprende de la capa de hielo. «GRACE proporciona una información que no se puede obtener con ningún otro instrumento satelital», dijo Velicogna.
Después de analizar dos años de datos, Velicogna informó de una tendencia a largo plazo: la capa de hielo está perdiendo masa. Aunque otras investigaciones sobre Groenlandia apoyan este hallazgo, añadió que los científicos necesitan una serie de datos a más largo plazo para comprender lo que está ocurriendo con la capa de hielo. Groenlandia tiene unos 2.600.000 kilómetros cúbicos de hielo que, si se derritiera, provocaría una subida del nivel del mar de unos 6,5 metros. Desde finales del siglo XIX, el derretimiento de las capas de hielo y los glaciares ha aumentado el nivel del mar en todo el mundo entre 1 y 2 centímetros por década.
Incluso los glaciares que se derritieron hace mucho tiempo afectan al nivel del mar en la actualidad. Por ejemplo, una gran masa de hielo cubrió la zona de la Bahía de Hudson durante la última Edad de Hielo, que terminó hace unos 15.000 años. Ahora, sin el peso de los glaciares, la tierra bajo esa zona se está recuperando lentamente a un ritmo de aproximadamente 1 centímetro (0,3 pulgadas) por año. Con el tiempo, este rebote postglacial afecta a las costas regionales, complicando las lecturas de los mareógrafos y dificultando el seguimiento de los cambios en el nivel global del mar. Los datos de GRACE permitirán a los científicos medir el cambio que puede atribuirse al rebote postglacial, lo que facilitará determinar en qué medida otros factores -como el calentamiento global- contribuyen al aumento del nivel del mar.
Los investigadores diseñaron GRACE como una misión de cinco años, pero los científicos esperan recopilar datos durante un máximo de 10 años. La prolongación de la vida de la misión les permitirá explorar nuevas aplicaciones para los datos de GRACE. «Estamos combinando las mediciones de la gravedad con otros datos, como los procedentes de la altimetría de la capa de hielo o la altimetría de radar. Pero todavía estamos tratando de entender lo que nos dicen todos estos datos», dijo Watkins. «Es un logro de ingeniería muy impresionante que nos permita realizar mediciones tan detalladas. GRACE nos proporciona una cartografía de gravedad de alta resolución: es una herramienta de teledetección pionera».
Tapley, B.D., S. Bettadpur, M. Watkins y C. Reigber.2004. The gravity recovery and climate experiment: mission overview and earlyresults. Geophysical Research Letters, 31, L09607, doi:10.1029/2004GL019920.
Chambers, D.P., J. Wahr, y R.S. Nerem. 2004. Preliminary observations ofglobal ocean mass variations with GRACE. Geophysical Research Letters, 31,L13310, doi:10.1029/2004GL020461.
Para más información
NASA Physical Oceanography Distributed Active Archive Center (PO.DAAC)
Sitio web del Experimento de Recuperación de la Gravedad y el Clima (GRACE)
Hoja informativa de GRACE
Los gemelos espaciales de GRACE se unen para rastrear el agua y la gravedad de la Tierra
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