Aplicación de gravímetros en geofísica

¿Realidad histórica o ficción?

Cuenta la leyenda que Isaac Newton estaba sentado debajo de un árbol cuando una manzana le cayó sobre la cabeza, lo que le hizo preguntarse por qué y de qué manera esa manzana se sintió atraída por la tierra. Ya sea que la leyenda sea un hecho o una ficción, el estudio de la gravedad de Newton lo llevó finalmente a publicar un texto matemático fundamental, los ‘Principios matemáticos de la filosofía natural ‘. Hasta el día de hoy, algunas de las ecuaciones que formuló entonces todavía pueden proporcionarnos una predicción precisa de las fuerzas gravitacionales básicas, no relativistas, que se encuentran en la naturaleza.

Estudios de gravedad

Si bien calcular la fuerza gravitacional es un desafío técnico interesante, ¿qué uso práctico podemos hacer de ese conocimiento? Uno de los usos más comunes de los estudios de gravedad es ayudar a localizar las estructuras principales y los recursos asociados ubicados debajo de la superficie de la tierra. Los grandes depósitos de minerales metálicos son mucho más densos y masivos que las rocas no metálicas y se mostrarán como anomalías de gravedad positiva. Por otro lado, los cuerpos de sal, que a menudo se asocian con trampas de hidrocarburos, son mucho menos densos que la roca circundante y pueden aparecer como diana de baja gravedad en un mapa de estudio de gravedad.

Pero las anomalías de la gravedad en la tierra no solo están asociadas con rocas duras. Por ejemplo, los estudios de gravedad pueden ayudar a monitorear los cambios en los flujos regionales de agua subterránea y los cambios que tienen lugar en los acuíferos subterráneos. En los océanos, los estudios de gravedad pueden ayudar a los científicos a cartografiar los gradientes de presión oceánica que influyen en gran medida en las corrientes de aguas profundas que impulsan gran parte de los patrones climáticos de la Tierra.

Medir la gravedad

Por lo general, pensamos que la gravedad es relativamente fuerte. Por ejemplo, es difícil levantar un peso pesado sobre nuestras cabezas. Sin embargo, la fuerza gravitacional en sí es realmente muy débil en comparación con otras fuerzas de la naturaleza, como las fuerzas atómicas que unen a los átomos. La fuerza de gravedad que sentimos sobre la superficie de la tierra tratando de levantar ese gran peso es el resultado del hecho de que la tierra es mucho más masiva que nosotros.

La fuerza gravitacional se mide como la aceleración de un cuerpo hacia otro cuerpo. La aceleración se calcula como la distancia dividida por el tiempo al cuadrado, y las unidades estándar para las medidas de gravedad son metros / seg 2 . Por ejemplo, al nivel del mar, la fuerza de gravedad en la tierra, g , es de aproximadamente 9,8 metros / seg 2 . Los instrumentos que se utilizan para medir la gravedad se denominan gravímetros . Debido a que la fuerza gravitacional es tan débil, para ser útiles para detectar anomalías gravitacionales en la Tierra, esos gravímetros suelen tener una precisión de aproximadamente una parte en mil millones (10 -9 g).

Tipos de gravímetros

Hay dos tipos generales de gravímetros. Un gravímetro absoluto es aquel que se puede usar para medir directamente la fuerza de gravedad en una ubicación específica. Los dispositivos de medición utilizados en estos sistemas están vinculados a los estándares absolutos de tiempo y duración. Por otro lado, un gravímetro relativo no intenta realizar una medición absoluta de la fuerza gravitacional. En cambio, se puede utilizar para comparar la fuerza relativa de la gravedad en diferentes ubicaciones o para monitorear los cambios en la gravedad que se encuentran en la misma ubicación en diferentes momentos.

Gravímetros relativos

La mayoría de los gravímetros relativos se basan en el principio de que un resorte con una masa adherida a él se estirará hasta una longitud específica debido a la fuerza de la gravedad. Estos llamados gravímetros de resorte son sistemas bastante complejos de pesos, palancas, resortes y dispositivos de medición óptica, pero el principio básico es bastante simple y se ha utilizado durante mucho tiempo. Los gravímetros de resorte tienen la ventaja de ser muy portátiles, pero sufren los efectos del desgaste inelástico de los resortes con el uso repetido.

Un gravímetro de resorte ideal es una tecnología de gravímetro relativo más reciente que se basa en la capacidad de hacer levitar una esfera superconductora. Por debajo de una determinada temperatura crítica, las corrientes pueden moverse a través de materiales superconductores sin sufrir ninguna disipación de energía. La cantidad de fuerza requerida para levitar la esfera, medida a partir de la corriente eléctrica, corresponde directamente a la fuerza de gravedad en ese lugar.

Gravímetros absolutos

Los gravímetros absolutos se basan normalmente en la medición precisa de la distancia y el tiempo de los cuerpos que caen en el vacío y, a veces, se denominan gravímetros de caída libre . En estos sistemas, el descenso de un objeto es monitoreado por un interferómetro láser, que permite mediciones de distancia que se calculan en longitudes de onda del láser óptico. Al mismo tiempo, la sincronización del objeto en caída libre se puede medir con mucha precisión utilizando un reloj atómico. Cuando se combinan, estas medidas de distancia y tiempo permiten un cálculo muy preciso de la fuerza gravitacional absoluta.

Consideraciones operativas y usos

Las mediciones de gravedad tomadas en la superficie de la tierra no son únicamente una función de la fuerza gravitacional de la tierra. Somos conscientes de esto cuando observamos que la subida y bajada de las mareas oceánicas están directamente ligadas a la atracción gravitacional de la luna y el sol. Estos efectos, que cambian a lo largo del día, deben tenerse en cuenta en cualquier estudio de gravedad. Además, otros factores, como la deriva mecánica debida al estiramiento inelástico de los resortes, o debido a los efectos de la temperatura externa, deben tenerse en cuenta en los cálculos de gravímetros relativos.

Si bien muchos estudios gravimétricos se basan en lecturas tomadas de la superficie de la tierra, o gravímetros colocados más profundamente dentro de pozos perforados en la tierra, las lecturas de gravedad se pueden tomar en una gran cantidad de entornos. Por ejemplo, con controles giroscópicos adecuados, los gravímetros se pueden desplegar en aviones y otros dispositivos voladores, así como en barcos y embarcaciones marinas de alta mar. Y, dado el advenimiento de los vuelos espaciales, se han tomado lecturas de gravedad de varios satélites que orbitan la Tierra y el planeta, lo que nos permite mapear las fuerzas gravitacionales a gran escala planetaria.

Resumen de la lección

Los estudios de gravedad son herramientas importantes que se utilizan en la búsqueda de recursos terrestres. La fuerza de la gravedad se puede medir con un gravímetro . Los gravímetros absolutos pueden medir esa fuerza directamente y están vinculados a estándares científicos absolutos, mientras que los gravímetros relativos se pueden usar para comparar lecturas de gravedad en diferentes lugares o momentos. Muchos gravímetros relativos se basan en resortes o miden fuerzas de levitación en materiales superconductores. La mayoría de los gravímetros absolutos miden la distancia y el tiempo de los cuerpos en caída libre .

Rodrigo Ricardo Editor y fundador