Las misiones satelitales GRACE y GOCE permiten construir modelos precisos de una superficie irregular que sirve como referencia para medir alturas, estudiar los océanos y observar cambios en la distribución de masas del planeta.
Redactor: Santiago Duarte
Editor: Eduardo Schmitz
La Tierra suele representarse como una esfera o como un elipsoide ligeramente achatado en los polos, pero los científicos necesitan un modelo más preciso para estudiar su campo gravitatorio, establecer alturas y analizar los movimientos de los océanos. Esa referencia es el geoide, una superficie física y matemática irregular determinada por la gravedad terrestre.
El geoide representa el nivel que adoptaría un océano global en reposo si no existieran mareas, corrientes, vientos ni otras perturbaciones. Aunque se extiende de manera imaginaria por debajo de los continentes, no reproduce montañas, valles o edificios: describe una superficie de igual potencial gravitatorio utilizada como referencia fundamental en geodesia y geofísica.
Su forma presenta ondulaciones porque la masa de la Tierra no está distribuida uniformemente. Las montañas, las fosas oceánicas, las diferencias de densidad entre las rocas, las capas de hielo y los movimientos de agua modifican localmente la intensidad de la gravedad y, por tanto, la posición de esa superficie de referencia.
El geoide no es una fotografía de la superficie terrestre
Las conocidas imágenes del geoide con grandes protuberancias y depresiones no muestran el relieve visible del planeta. Son representaciones amplificadas de las diferencias entre la superficie gravitatoria y un elipsoide matemático regular empleado para efectuar cálculos geográficos.
El elipsoide ofrece una aproximación geométrica sencilla de la Tierra, mientras que el geoide incorpora las variaciones generadas por su campo gravitatorio. La superficie física real, donde se encuentran continentes, océanos, montañas y depresiones, constituye otro nivel de información.
La diferencia es importante porque los sistemas de navegación satelital calculan inicialmente posiciones y alturas respecto de un elipsoide. Para transformar esos datos en elevaciones relacionadas con el nivel medio del mar, es necesario utilizar un modelo del geoide.
La geodesia espacial también permite obtener información precisa sobre la forma, el tamaño y los movimientos de la Tierra mediante tecnologías satelitales, incluidas las redes GPS empleadas en topografía, cartografía y vigilancia de deformaciones del terreno.
GRACE midió pequeñas variaciones del campo gravitatorio
La misión Gravity Recovery and Climate Experiment, conocida como GRACE, fue desarrollada conjuntamente por la Administración Nacional de Aeronáutica y el Espacio de Estados Unidos y organismos científicos de Alemania. Sus dos satélites fueron lanzados en marzo de 2002 para medir con gran precisión las variaciones del campo gravitatorio terrestre.
Las dos naves volaban en una órbita casi polar, separadas por aproximadamente 220 kilómetros. Cuando el primer satélite se aproximaba a una región con una concentración de masa ligeramente mayor, la atracción gravitatoria lo aceleraba y modificaba la distancia respecto de la segunda nave.
Un sistema de medición por microondas registraba esos cambios extremadamente pequeños. Los científicos combinaban posteriormente esa información con datos de posicionamiento GPS, cámaras estelares y acelerómetros para elaborar mapas del campo gravitatorio.
La tecnología desarrollada por GRACE hizo posible estudiar tanto la gravedad media del planeta como sus variaciones temporales. Estas últimas reflejan desplazamientos de masa relacionados con aguas subterráneas, sequías, grandes ríos, capas de hielo, glaciares y cambios en los océanos.
Este principio continuará mediante nuevas generaciones de observación. Estados Unidos y Alemania preparan una misión destinada a rastrear el movimiento global del agua mediante cambios en la gravedad, asegurando la continuidad de las mediciones iniciadas por GRACE.
GOCE produjo un modelo de alta precisión
La Agencia Espacial Europea amplió el conocimiento del geoide mediante la misión Gravity Field and Steady-State Ocean Circulation Explorer, conocida como GOCE. El satélite fue lanzado el 17 de marzo de 2009 y permaneció operativo durante más de cuatro años, hasta noviembre de 2013.
GOCE orbitó a unos 260 kilómetros de altitud, una distancia especialmente baja que le permitió captar con sensibilidad las variaciones del campo gravitatorio. Su principal instrumento fue un gradiómetro diseñado para medir cambios muy pequeños en la aceleración gravitatoria en diferentes direcciones.
Los datos de la misión permitieron elaborar el modelo del geoide más preciso producido hasta entonces, con una exactitud estimada de entre uno y dos centímetros en determinadas escalas. Aunque la misión terminó, sus mediciones continúan utilizándose para estudiar la circulación oceánica, el nivel del mar, la dinámica del hielo, la estructura interna del planeta y el cambio climático.
Las variaciones de gravedad también sirven para investigar movimientos verticales de la corteza. En la península escandinava, por ejemplo, los datos satelitales han permitido relacionar la elevación del terreno con cambios gravitatorios asociados al ajuste de la corteza tras la desaparición de antiguas capas de hielo.
Una referencia esencial para medir el nivel del mar
El geoide funciona como una superficie horizontal global definida por la gravedad. Esta característica permite comparar alturas entre regiones distantes y establecer referencias coherentes para la ingeniería, la cartografía, la construcción de infraestructuras y la vigilancia del territorio.
En oceanografía, los investigadores comparan la altura real de la superficie marina, obtenida mediante altimetría satelital, con la altura del geoide. La diferencia entre ambas ayuda a determinar la topografía dinámica del océano y a estudiar corrientes impulsadas por diferencias de temperatura, salinidad, presión y viento.
También resulta indispensable para analizar la evolución del nivel del mar. La superficie oceánica puede variar por la expansión térmica del agua, el derretimiento de hielo continental y los cambios en la circulación. Un modelo gravitatorio preciso permite separar esas señales y mejorar la interpretación de las observaciones.
La vigilancia de la criosfera combina mediciones de altitud, GPS y gravedad. Los satélites GRACE han permitido detectar modificaciones gravitatorias causadas por la pérdida de hielo, una metodología incluida entre las principales técnicas utilizadas para seguir el deshielo y el ascenso del nivel del mar.
La gravedad permite observar cómo se redistribuye el agua
El campo gravitatorio no permanece completamente estático. Cuando una región pierde grandes cantidades de agua subterránea o de hielo, también pierde masa y genera una señal que puede ser detectada desde el espacio. Cuando aumenta el almacenamiento de agua, ocurre el proceso contrario.
Estas mediciones permiten observar fenómenos que no siempre son visibles desde la superficie. Las variaciones gravitatorias pueden revelar cambios en acuíferos, identificar la intensidad de una sequía, medir pérdidas de masa glaciar y estimar la contribución del deshielo al aumento del nivel oceánico.
El geoide y los mapas gravitatorios cumplen funciones complementarias. El primero proporciona una referencia estable vinculada al campo medio de gravedad, mientras que las observaciones periódicas muestran cómo cambia la distribución de masa a lo largo del tiempo.
Por esta razón, las misiones gravitatorias se han convertido en herramientas para las ciencias del clima, la hidrología, la oceanografía y la geología. Sus datos permiten conectar procesos que ocurren desde el interior rocoso de la Tierra hasta los océanos, los glaciares y las reservas subterráneas de agua.
Una Tierra irregular medida con precisión satelital
El geoide no significa que el planeta tenga físicamente la apariencia exageradamente deformada de algunas visualizaciones científicas. Esas imágenes amplifican las diferencias gravitatorias para que puedan distinguirse, ya que las variaciones reales son pequeñas comparadas con el radio terrestre.
Su valor reside en proporcionar una referencia más fiel al comportamiento de la gravedad que una esfera o un elipsoide ideal. Gracias a ella, los científicos pueden calcular alturas con mayor precisión, estudiar la circulación oceánica y detectar desplazamientos de masa que forman parte del sistema climático.
Las mediciones realizadas por GRACE, GOCE y sus misiones sucesoras han transformado ese modelo matemático en una herramienta dinámica para observar el planeta. La forma gravitatoria de la Tierra revela así procesos que no aparecen en una fotografía convencional, pero que resultan decisivos para comprender cómo cambia su superficie y cómo se distribuyen sus recursos.
Fuentes referenciales:
Perfil
NASA Goddard Space Flight Center
Agencia Espacial Europea
Servicio Geológico de Estados Unidos
