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Detectando los peligros naturales de la Tierra en lo alto del cielo

Fuente:  EOS

Los terremotos, erupciones volcánicas, tsunamis, explosiones y otros eventos en la superficie de la Tierra generan ondas que viajan hacia arriba a través de la atmósfera. Un artículo reciente en Reviews of Geophysics explora cómo estos eventos son detectados por diferentes instrumentos y las perspectivas de usarlos para monitorear los peligros naturales en tiempo real. Aquí, el autor ofrece una descripción general de las ondas atmosféricas generadas por los peligros naturales y lo que podemos aprender de ellas.

¿Cómo se propagan hacia arriba las ondas generadas en la superficie de la Tierra?

Las ondas acústicas son ondas longitudinales que se propagan hacia arriba en la atmósfera a la velocidad del sonido (es decir, aproximadamente 330 metros por segundo en la superficie y alrededor de 800 a 1000 metros por segundo a una altitud ionosférica de 250 a 400 kilómetros). Las ondas acústicas tardan entre 7 y 9 minutos en llegar a la ionosfera.

 

Las ondas de gravedad son ondas de frecuencia más baja. El impacto de la gravedad significa que estas ondas no pueden propagarse hacia arriba verticalmente, sino más bien oblicuamente. La componente vertical de su velocidad es baja, por lo que alcanzan las altitudes ionosféricas de 45 a 60 minutos después de generarse en la superficie de la Tierra.

 

La propagación y evolución de las ondas acústicas y gravitatorias en la atmósfera se ve muy afectada por el medio de propagación y sus propiedades. La disminución exponencial de la densidad atmosférica con la altitud conduce al crecimiento de ondas acústicas y gravitatorias sobre su propagación hacia arriba. En consecuencia, las pequeñas ondas generadas en la superficie de la Tierra pueden provocar perturbaciones importantes en la atmósfera superior y la ionosfera.

¿Qué instrumentos se pueden utilizar para detectar estas ondas en la ionosfera?

Las primeras perturbaciones ionosféricas cosísmicas fueron detectadas por ionosondas y sondas Doppler después del gran terremoto de Alaska de 1964. Más recientemente, los Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSS), como el  GPS americano ,  el Glonass ruso ,  el Galileo europeo ,  el BeiDou chino , etc., se han convertido en los principales instrumentos utilizados para la detección de perturbaciones ionosféricas generadas por peligros naturales. Las perturbaciones atmosféricas e ionosféricas provocadas por terremotos y tsunamis también han sido detectadas in situ por satélites de órbita terrestre baja, como  GOCE ,  GRACE ,  SABRE y  COSMIC / Formosat .

¿Qué nos pueden decir las observaciones en la ionosfera sobre la fuente original y la ubicación en la Tierra?

Una vez que se detectan perturbaciones en la ionosfera, se pueden estimar sus características espacio-temporales (como tiempo de llegada, amplitud, velocidad de propagación, etc.). A partir de estos parámetros, es posible determinar la fuente de los peligros naturales. En algunos casos, también podemos obtener la información sobre los parámetros de la fuente a partir de las perturbaciones ionosféricas, como las dimensiones de una falla sísmica rota en un terremoto, la altura de una ola de tsunami o la energía de una erupción volcánica.

¿Podría la detección ionosférica ayudar a monitorear los peligros naturales en tiempo real?

El hecho de que la perturbación ionosférica cosísmica se pueda detectar en la ionosfera solo de 7 a 9 minutos después de un evento abre la posibilidad de utilizar mediciones ionosféricas para sistemas de alerta de tsunamis casi en tiempo real.

 

Por ejemplo, las imágenes sismo-ionosféricas que utilizan datos GNSS con alta resolución temporal y espacial podrían proporcionar estimaciones de la magnitud de un terremoto y la extensión de la fuente sísmica.

 

O bien, las mediciones ionosféricas mediante receptores GNSS de doble frecuencia instalados en islas y costas pueden algún día permitir la estimación de la altura de las olas del tsunami (hasta 500 kilómetros de las costas). Además, las futuras misiones satelitales con cámaras luminosas a bordo ayudarán a rastrear en tiempo real la propagación de los tsunamis en todos los océanos antes de que lleguen a las costas.

¿Cuáles son algunas de las preguntas sin resolver en las que se necesita investigación, datos o modelos adicionales?

Sin embargo, muchas características del acoplamiento entre la Tierra sólida, el océano, la atmósfera y la ionosfera siguen siendo poco conocidas. Por ejemplo, se sabe que los terremotos gigantes pueden generar ondas de choque, pero ¿qué pasa con los terremotos más pequeños? ¿Cómo afectan las variaciones en la atmósfera neutra a la propagación de ondas acústicas y gravitatorias desde la superficie a la ionosfera?

 

En términos de observaciones, son necesarios nuevos desarrollos de redes terrestres de receptores GNSS de doble frecuencia. Esto mejoraría la cobertura espacial y permitiría analizar las perturbaciones ionosféricas con mayor detalle. Además de los instrumentos terrestres, las futuras misiones de satélites atmosféricos e ionosféricos también ayudarán a proporcionar conocimientos.

 

En términos de modelado, herramientas 3D más sofisticadas llenarían los vacíos en nuestro conocimiento al reproducir completamente las perturbaciones atmosféricas e ionosféricas generadas por peligros naturales. También se necesitan herramientas de modelado precisas para estudiar las actividades sísmicas y volcánicas de otros planetas. Como sabemos por la Tierra, el interior de un planeta puede entenderse analizando la propagación de ondas sísmicas registradas por un sismómetro, pero la instalación de sismómetros en la superficie de otros planetas es todo un desafío y, hasta ahora, solo Marte tiene uno gracias a la  NASA. Misión de conocimiento. Además, las condiciones atmosféricas en la superficie pueden no ser favorables para la instalación de ningún equipo. Por ejemplo, Venus tiene una temperatura y presión atmosféricas muy altas, lo que hace imposible colocar un sismómetro durante un período de tiempo prolongado. Por lo tanto, para Venus, el monitoreo remoto de las perturbaciones atmosféricas es la única forma de detectar signos de actividad sísmica / volcánica y aprender sobre su formación y evolución.

Fuente:  EOS

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