GRAVIMETRIA SATELITAL

1. OBJETIVOS.

Obtener información asociada a las diferentes densidades de las rocas que componen la corteza. Si se complementa con el conocimiento geológico de la zona, puede determinarse inequívocamente el tipo de roca.

2. MARCO TEORICO.

Una prospección gravimétrica es capaz de detectar anomalías de gravedad que se traducen en diferencias de densidad del terreno. Por ejemplo, un déficit de gravedad (baja densidad) puede corresponder a domos de sal e hidrocarburos, mientras que un exceso de gravedad (alta densidad) puede corresponder a un cuerpo altamente mineralizado.

TÍPICO LEVANTAMIENTO GRAVIMÉTRICO

Fase de TerrenoDefinir una malla y en cada nodo medir la aceleración de gravedad

Correcciones: Deriva del instrumento: el gravímetro no es perfecto.

Se utiliza una estación de amarre para cuantificar la deriva del cero (como cambia el cero del instrumento en el tiempo (se asume lineal))

Corrección topográfica: un cerro incrementa la aceleración de gravedad, mientras que una cuenca la hace disminuir. Todos los datos deben llevarse a topografía plana

Mapa final: isoanómalas de gravedad.El mapa resultante muestra las variaciones sufridas por la aceleración de gravedad como resultado exclusivo de las diferentes densidades de las rocas. Puede ser conveniente realizar un análisis estadístico de la gravedad y mostrar las desviaciones respecto del background 

TECNOLOGÍAS QUE HOY PERMITEN DETECTAR LO QUE LOS SIGLOS HAN DEJADO BAJO TIERRA.

Uno de los hitos menos conocidos del malogrado transbordador Columbia fue su aporte a la arqueología. En noviembre de 1981 descubrió desde el espacio valles y lagos enterrados bajo el Sahara e incluso sitios humanos correspondientes a la edad de piedra, fechados 9.500 a 4.500 años antes del presente.

Lo hizo con la ayuda del ShuttleImaging Radar SIR-A (Radar de Imágenes de Transbordador). Fue una de las primeras aplicaciones de tecnología remota en la arqueología, algo que se ha hecho habitual para los investigadores. Ya sé con la ayuda de distintos tipos de radares, imágenes satelitales, rayos láser aerotransportado o prospección magnética, los arqueólogos

han podido descubrir estructuras que permanecían ocultas.Lo más impresionante es que consiguen evidencia precisa sin haber tenido que hacer una costosa excavación, con la inevitable destrucción del entorno que eso implica.

“Remote Sensing” o teledetección se puede traducir como percepción u observación a larga distancia. Se refiere a los métodos, que emplean energía electromagnética como las ondas de luz, las ondas térmicas y las ondas del radio por ejemplo. También se aplican ondas sonoras (que no son ondas electromagnéticas) en investigaciones subacuáticas.

La observación se realiza a través de un detector, que no está en contacto directo con el objeto investigado y que es sensible para las longitudes de onda electromagnética desde la parte ultravioleta del espectro electromagnético hasta la región ocupada por ondas cortas de radio.

La interacción entre la energía electromagnética y la materia se determina por las propiedades físicas de la materia y por las longitudes de onda electromagnética incidente y detectada.

Las fotos aéreas y su interpretación marcan los inicios de la teledetección.

Entre los años 1960 y 1970 fueron introducidas las imágenes infrarrojas y la parte del espectro electromagnético ocupada por las microondas. Además es en esta década cuando se ponen en órbita los primeros satélites.

El término “Remote Sensing” se emplea para un reconocimiento general de un área.

Las imágenes de satélite dan informaciones similares a las de la fotografía aérea, además de otras acerca de la composición de la materia de la superficie terrestre. Las escalas eran en general superiores a las de las fotos aéreas, aunque se han producido grandes avances en la definición.

EL MÉTODO ASTRO-GEODÉSICO:

Las ondulaciones del geoide se obtienen a partir de observaciones astronómicas de latitud y longitud en estaciones con posiciones geodésicas conocidas. En primer lugar se determinan las componentes principales de la deflexión de la vertical:

ξ = Φ −ϕ

η = Λ −λ

Donde Φ y Λ indican las coordenadas astronómicas medias mientras que ϕ y λ son las coordenadas geodésicas. La deflexión de la vertical en una dirección de acimut α , está dada por:

θ ξ α η α α = cos + sen

En la dirección de un perfil de acimut α , la ondulación del geoide puede determinarse por la relación:

dN dS α = −θ

A partir de la cual:N = N + dN 2 1

Donde dS es la distancia desde un punto de ondulación conocida N1 hasta otro punto de ondulación desconocida N2. En perfiles de direcciones norte-sur: θ ξ α = y dS = ρ dϕ , y mientras que para perfiles este-oeste: θ η α = y dS =ν cosϕ dλ donde ρ y ν son los radios de curvatura principales del elipsoide en el meridiano y en el primer vertical respectivamente.

Existen algunas desventajas asociadas con el método astro-geodésico, tales como los problemas de propagación de los errores y la limitación de la distancia dS. Combinaciones de técnicas gravimétricas y astro-geodésicas, son también posibles para determinar el geoide por el denominado método astro- gravimétrico.

PTB: ESTIMACIÓN ALGORÍTMICA DE LA GRAVEDAD

El Instituto de Metrología de Alemania (PTB) ha desarrollado un Sistema de Información sobre la Gravedad que permite obtener la aceleración de gravedad en cualquier lugar del mundo mediante un modelo basado en la misión SRTM del Transbordador Espacial (Shuttle Radar TopographyMission).

Cabe señalar que el valor de la gravedad se obtiene con seis decimales y con una incerteza de 0.2 mm/s2 (ej: 9.783372 +- 0.0002 m/s2), lo que obviamente es insuficiente en trabajos de Prospección Gravimétrica, pero no deja de ser un buen punto de referencia.El Sistema SIS se basa en modelos matemáticos geodésicos que utilizan una malla de cerca de 150 puntos para determinar la gravedad en un punto dado sobre la superficie terrestre (latitud, longitud y altitud).

LOS MÉTODOS DE INTERPOLACIÓN SUPERFICIAL.

Puesto que no es común disponer tanto de observaciones de gravedad como de observaciones astronómicas y dado el tiempo y el esfuerzo requeridos para obtenerlas, los métodos gravimétricos y astro-geodésico resultan de difícil aplicación en ingeniería.

Las alturas elipsoidales determinadas con mediciones GPS y las alturas sobre el nivel medio del mar con nivelación geométrica, resultan mucho más accesibles para estimar las ondulaciones del geoide en un área preestablecida.

Para determinados trabajos de ingeniería y cartografía donde no se requiere gran precisión, puede omitirse la corrección ortométrica habida cuenta que resulta poco significativa en grandes distancias (más de 100 km) y en terrenos que no presentan grandes diferencias altimétricas.Sea entonces un área no demasiado extensa (algunos miles de hectáreas) que cuenta con un conjunto de puntos uniformemente distribuidos. Dichos puntos son los vértices de una red GPS y a su vez, vértices también de una red altimétrica medida con nivelación geométrica y ambas debidamente ajustadas por el principio de los mínimos cuadrados.

Cada punto cuenta entonces con coordenadas geodésicas latitud, longitud y alturaelipsoidal (ϕ, λ, h) referidas al elipsoide global WGS’84 y también alturas sobre el nivel medio del mar, que resultan una buena aproximación a las alturas ortométricas H.

Las coordenadas geodésicas ϕ y λ pueden transformarse a coordenadas planas x, y dealguna proyección cartográfica (Gauss Krüger, por ejemplo), previo haber efectuado el correspondiente cambio de datum con parámetros conocidos o determinados. Así, cada uno de los puntos de la red tiene coordenadas x, y, h y H o bien x, y, z donde z = N = h– H, representa la separación geoide-elipsoide; es decir la ondulación del geoide.A partir de esta información es posible generar un modelo matemático:

z = f (x, y)

Que aproxima lo suficiente al geoide en el área de trabajo, como para estimar laondulación en cualquier punto P con solo conocerse sus coordenadas planas x, y.Efectuando una observación GPS en modo diferencial con estación de control en un punto de la red y remota en un punto P del área de trabajo, se determinan sus coordenadas geodésicas y se obtienen luego sus coordenadas planas. El modelo local del geoide, provee la ondulación estimada en P y con la calcula la altura sobre el nivel medio del mar (H = h – N).

La estadística a su vez, ofrece herramientas eficientes para estudiar los errores de las ondulaciones estimadas por el modelo y su propagación a las alturas sobre el nivel medio del mar.

El Proyecto GRACE

Satélites gemelos GRACE

Durante el 2002 la NASA lanzó los satélites gemelos conocidos como GRACE (GravityRecovery And ClimaticExperiment) cuyo objetivo es cuantificar ínfimas variaciones en el campo gravitatorio terrestre, lo que permitirá rastrear movimientos de masa que ocurren en nuestro planeta. La precisión de las mediciones realizadas por GRACE es 100 veces mayor que los proyectos predecesores, pudiendo detectar pequeñas anomalías de masa en los océanos, los que se relacionan con fuentes de Radiación ElectroMagnética natural ("Hot Points" potencialmente aprovechables). En ausencia de anomalías, los océanos tienden a adoptar la forma del "geoide", la superficie idealizada donde g es normal. Las disorsiones en la superficie del océano pueden ser cuantificadas con el satélite TOPEX / Poseidón (que

posee un altímetro láser), de modo que gracias al trabajo conjunto con GRACE, se podrá distinguir anomalías de distintos tipos:

Dilatación de los océanos por efecto de la temperatura Transporte de masa por corrientes oceánicas Derretimiento de placas de hielo Movimiento de acuíferos subterráneos Transporte de masa en la atmósfera Corrientes de convección en el manto, etc.

Además, GRACE puede dar información sobre el ciclo hidrológico global, lo que es útil en Geología y Climatología (Protocolo de Kyoto).El proyecto GRACE se realizará durante el periodo 2002-2007 y generará mapas gravitatorios completos a razón de uno por mes. La alta precisión de las mediciones se basa en la cuantificación de la separación entre ambos satélites (con un margen de error de ± 1 m), la que depende de las fluctuaciones de las órbitas influídas por las variaciones de g.

.El trabajo de GRACE será complementado con la "Misión Agua" de la NASA (que mapeará la humedad del suelo) y con el ICESat, satélite que cuantificará la superficie congelada de nuestro planeta.

ALGUNAS MISIONES TRABAJADOS CON SATELITES:

Misión LageosLageos 1 corresponde al primer satélite dedicado exclusivamente al SLR, diseñado por la NASA, fue lanzado en el año 1976, para eliminar los errores que provenían de la orbita del satelite, Lageos se mueve en orbita libre alrededor de LA TIERRA

Mision GOCE (Gravity field and steady-state Ocean Circulation Explorer)

Primera de las tres misiónesEarth Explorer desarrollada por la ESA. Su misión es la medición del campo gravitatorio de la Tierra y la modelación del geoide aprecisión nunca antes vista. El satélite se compone de una sola nave hexagonal

Misión GRACE (Gravity Recovery And Climate Experiment)

Grace es un proyecto en conjunto de la National Aeronautics and Space Administration (NASA) y el Deutsches Zentrumfr Luft-und Raumfahrt (DLR). Lanzado el 17 de Marzo del 2002. La principal misión del Grace es entregar el modelo de gravedad

3. CONCLUSIONES

La aplicación de técnicas satelitales (gravimetría y teledetección) para el estudio de las variaciones de masas de agua resultó una herramienta eficiente y de gran utilidad para la obtención de esta información. La metodología empleada para el tratamiento de la información resultó ser la adecuada. Los productos GRACE son de libre acceso y, tras un adecuado procesamiento, proveen resultados de alta confiabilidad. Por otro lado, la teledetección aplicada a la hidrología, supone un ahorro de tiempo, objetividad y fiabilidad en el estudio de los recursos hídricos de una región.

4. BIBIOGRAFIA

Bettadpur, S., 2003. GRACE level-2 gravity field product user handbook. CSR Publ. GR-03-01, Univ. of Texas, Austin,http://podaac.jpl.nasa.gov/grace.         

Beutler, G., 2004. Revolution in Geodesy and Surveying. FIG Article, July 2004, 19 pp.

Chambers, D.P., J. Wahr, and R.S. Nerem, 2004. Preliminary observations of global ocean mass variations with GRACE. Geophysical Research Letters, 31, L13310.