Pesando la Tierra desde el espacio

Compartimos el siguiente artículo exclusivo de nuestro portal acerca de los satélites GRACE, escrito por Victor Zlotnicki, promoción 1970, disponible tanto en formato gráfico como audiovisual.

Víctor estudió agrimensura e ingeniería geodesta-geofisica en la Facultad de Ingeniería de la UBA. en 1983 recibió su phd en oceanografía del Massachussetts Institute of Technology (mit) y la Woods Hole Oceanographic Institution de EE.UU. Trabajó en el servicio de hidrografía naval entre 1985 y 1987, en el centro de vuelos espaciales goddard de la nasa, cerca de Washington DC, y desde 1985 en el Jet Propulsion Laboratory (JPL) del Instituto de Tecnología de California y de la NASA, cerca de Los Ángeles.. Víctor se especializó en observaciones de nivel del mar por altimetría de radar y observaciones de presión de fondo del mar por gravimetría satelital. ha publicado cuarenta y tres artículos en revistas especializadas en esos temas. actualmente se desempeña como Assistant Manager de la sección de ciencias de la Tierra (unos ciento cuarenta empleados)  y como Discipline Program Manager para temas relacionados al clima, ambos en JPL.

 

Para verlo en formato de videolibro, pueden reproducirlo dando click a continuación.

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¿Me creen si les digo que hay dos satélites volando a unos 500 km sobre la superficie de la tierra, separados por unos 200-300 km, y que cada segundo medimos el cambio de distancia entre ellos con una precisión menor a 1 micrón por segundo, que es al menos diez veces más chico que el espesor de un cabello humano? ¿Y me creen si les digo que esa medición nos permite cuantificar el derretimiento de hielo en Patagonia, Antártida y Groenlandia, los cambios temporales de presión en el fondo del mar, o el agotamiento de cuencas hidrológicas? Todo eso es cierto, y voy a tratar de explicarlo aquí.

En el 2002 NASA, la agencia de aeronáutica de EE.UU.,  y DLR, la agencia de  aeronáutica de Alemania,  conjuntamente lanzaron un par de satélites llamados GRACE (sigla por Gravity Recovery and Climate Experiment). Cada uno de ese par de satélites tenían un interferómetro de microondas apuntando al otro satélite que efectivamente media la velocidad relativa entre los dos satélites con precisión de 1 micrón por segundo.  El objeto era medir la perturbación de la órbita causada por masas en la Tierra: cada vez que el satélite de adelante se acerca a una montaña va un poquito más rápido que el de atrás porque la gravedad de la montaña lo atrae más fuertemente que al de atrás, así que la distancia entre ambos aumenta. Cuando la montaña está entre ellos, la distancia entre ambos disminuye porque ambos son atraídos hacia la montaña, también por gravedad. Esos pequeños cambios de distancia son proporcionales a la masa total de la montaña. Vamos a volver a este tema.

Ahora, la distancia entre los satélites también es afectada por la fricción de lo poquito que queda de atmósfera a esa altura, por presión de radiación solar,  ambas fuerzas “no conservativas” (fuerzas que disipan energía). Para medirlas cada satélite tiene un acelerómetro que lo permite. Para saber dónde están, un GPS de precisión está a bordo. Para saber a dónde apuntan, cada satélite tiene un rastreador de estrellas. Y por supuesto, paneles solares, baterías, sistemas de comunicación con la Tierra, etc.

Volvamos al ejemplo de la montaña. Si hoy la cadena de montañas tiene mucha más nieve que el año pasado, su masa es un poco mayor. ¿Puede medirse ese pequeño cambio? Como la mayor parte de las masas que cambian de mes a mes y año a año son causadas por agua que se mueve entre hielo, océano, cuencas hidrológicas y atmósfera (con excepciones que se explican más  abajo), se hizo costumbre medir el cambio de masa como el cambio en el espesor de una capa de agua. Imaginen un “barril” de agua de 2 cm de altura y unos 300 km de diámetro. Sí, el diámetro es muy grande, esa es la “huella” efectiva de los satélites GRACE. Y esa es la sensibilidad de la medición, 2 cm en 300 km promediados sobre un mes. Resulta que con esa sensibilidad se pueden medir muchas cosas de interés.

Una de las primeras aplicaciones de estos datos fue medir los cambios de masa de toda Groenlandia y de toda Antártida. En los 15 años de vida de la misión GRACE (terminó a mediados del 2017) Groenlandia perdió unos 4.000 gigatones de hielo. ¿Cuánto es un gigatón? Es la masa de agua pura dentro de un cubo de 1 km de lado. Otro modo de verlo: esos 4.000 gigatones de hielo hicieron subir la superficie de todos los océanos en 1.1 cm.  Antártida también perdió hielo, pero en menor medida, sólo unos 1.800 gigatones, o 0.5 cm de nivel del mar.

 

En realidad, el nivel del mar sube a una tasa de aproximadamente 3.3 cm cada 10 años desde 1993 (un poco más lentamente antes), lo cual se debe 1/3 a la adición de agua de Groenlandia y Antártida, 1/3  a adición de agua de los glaciares continentales como los de Patagonia, y el último tercio a la expansión del agua por su propio calentamiento.

Los satélites GRACE también nos brindaron información sobre el uso de agua en las grandes cuencas hidrológicas. El mapa que sigue, que fue publicado por Matt Rodell y colegas en el  2018, muestra las tendencias de ganancias (colores azules) y pérdidas (colores rojos) de agua alrededor del mundo. Como este tema afecta a la gente de modo más directo, la mayoría de los artículos científicos publicados con esos datos se refieren a la hidrología de gran escala.

Otro tema al que contribuyen estos satélites es el cambio temporal de la presión de fondo del mar, cuya variación espacial mide cambios de intensidad de corrientes profundas del mar. Eso es posible porque el peso de la masa combinada de aire y agua en un “cilindro” de 300 km de diámetro es literalmente la presión de fondo del mar.

Los que saben el tema de gravedad se estarán preguntando: ¿cómo pueden interpretar los cambios de gravedad sólo como cambios de agua? ¿Y la geología? ¿El movimiento de las placas? La suba o baja de áreas por ajuste isostático glacial (también llamado rebote post-glacial, RPG). ¿Y no habló de variación de agua en la atmósfera? Es cierto. Con respecto a la atmósfera, los actuales modelos numéricos son suficientemente buenos que los usamos como corrección a los datos. Los modelos de RPG aunque no tan buenos son usados como corrección, y los datos de GRACE ayudan a mejorarlos. El movimiento de placas aún no se puede detectar en estos datos.

Aunque la misión GRACE termino en el 2017, NASA y otra agencia alemana, GFZ-Potsdam  (el Centro de GeoInvestigación de Potsdam) lanzaron en el 2019 la misión GRACE-FO (el ‘FO’ es la sigla de ‘Follow On’, o subsiguiente), muy similar a GRACE pero con aún mejor precisión y un interferómetro a láser para medir la distancia entre los satélites. Estos satélites continúan brindando datos al día sobre los mismos temas.

 

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