Seguimiento de naves espaciales a medida que el giro de la Tierra es alterado por el agua

  • La masa se redistribuye constantemente alrededor de nuestro planeta. La atmósfera de la Tierra, los océanos y otros cuerpos de agua sobre y debajo de la superficie se derriten, cambian y se agitan.
  • Esta redistribución de masa altera el centro de gravedad de la Tierra, que a su vez acelera y ralentiza el giro del planeta. Altera por lo tanto la duración del día, además de cambiar la orientación de su «eje de giro».
  • Estos cambios en el giro y la orientación de la Tierra ocurren en escalas de tiempo relativamente cortas de días y semanas. Además amenazan la comunicación entre las estaciones terrestres y las misiones en órbita y en todo el Sistema Solar.
  • La ESA está trabajando en su propio algoritmo para predecir la orientación de la Tierra con extrema precisión. Las primeras pruebas muestran que el nuevo algoritmo de la ESA supera a los que se utilizan hoy en día de proveedores externos. Esto marca un paso importante para garantizar el acceso independiente de Europa al espacio.

Las fuerzas en juego, cambiando el día

La Luna observada desde el transbordador espacial Discovery. Un fenómeno raramente visto: la atmósfera de la Tierra dobla la luz de la Luna llena, comprimiéndola.
Crédito: NASA.

Las fuerzas gravitacionales externas, predominantemente del Sol y la Luna, actúan de manera constante y predecible en nuestro planeta. La enorme gravedad del Sol mantiene a la Tierra en órbita. A su vez el suave tirón de la Luna, a lo largo de miles de millones de años, ha ralentizado drásticamente su giro. Esto ha aumentando la duración del día en la Tierra.

Cuando la Tierra se formó por primera vez, un día tenía entre seis y ocho horas de duración. Entonces un año, habría consistido en más de 1000 amaneceres y atardeceres.

Más cerca de casa, hay fuerzas en juego que tienen efectos mucho más rápidos e impredecibles. Los terremotos, los vientos atmosféricos, las corrientes oceánicas y, notablemente, incluso la propia actividad humana, actúan a menudo e impredeciblemente. Ellos redistribuyen la masa alrededor del planeta, alterando la velocidad del giro de la Tierra y la orientación de su eje de giro.

Conservación de momento

La ‘conservación del momento angular’ es una ley de la Física. Esta explica por qué una patinadora artística que gira con los brazos extendidos puede acelerar de repente llevando los brazos hacia su cuerpo. (Ver video).

El giro de la Tierra también se ve afectado por la distribución del peso alrededor del planeta. 

a)- Efecto de los terremotos

Los terremotos, notablemente, aceleran el giro de nuestro planeta en un instante, reordenando la materia a través de la corteza y el manto superior. De esa manera aumentan de manera pequeña pero no insignificante la duración del día.

Mapa de desplazamiento del terreno de los terremotos que azotaron Japón a partir del 11 de Marzo de 2011. El mapa muestra una gran parte del campo de desplazamiento de la superficie. El desplazamiento máximo a lo largo de la línea de visión (del satélite) alcanza aproximadamente 2,5 m en relación con un punto de referencia dentro de toda la franja del marco ubicada cerca del límite sur. Más información.
Créditos: Basado en datos de la ESA – El Istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia (S. Stamondo, M. Chini y C. Bignami)

En 2011, un terremoto de magnitud 9,0 sacudió Japón, que trágicamente se cobró miles de vidas y provocó daños incalculables. Con una duración de seis minutos, también acortó la duración del día en 1.8 microsegundos (un microsegundo = una millonésima de segundo). Además cambió la posición del ‘eje de la figura’ de la Tierra en aproximadamente 17 cm. Éste, es una línea imaginaria alrededor de la cual se equilibra la masa del mundo. (El eje de la figura es el eje de balance de masa de la Tierra, mientras que el eje de giro se tambalea a su alrededor).

b)_ Efectos producidos por otras redistribuciones de masa

También se están produciendo efectos mucho mayores causados ​​por los vientos atmosféricos, las corrientes oceánicas y por el derretimiento de glaciares y los casquetes polares. A medida que el hielo se derrite o se rompe en el océano, el nivel del mar aumenta. Entonces la masa de la Tierra se redistribuye para que esté más cerca de este eje central, acortando la duración del día.

Tales cambios no son motivo de preocupación, pasan desapercibidos en nuestra vida cotidiana. Pero cuando se trata de volar una nave espacial a través del espacio profundo, o mantenerse sincronizado con los satélites en órbita, son un problema. Estos pequeños cambios pueden significar la diferencia entre encontrar y perder su misión.

Mantener las misiones de la ESA

Para volar misiones de la ESA, la Agencia depende de los llamados Parámetros de Orientación de la Tierra, EOP, (Earth Orientation Parameters). Estos describen las irregularidades en la rotación del planeta. Si no los conoce, tiene un problema real.

“Nuestras estaciones terrestres están en comunicación con naves espaciales interplanetarias a millones de kilómetros de distancia. Deben apuntar con extrema precisión a estos objetos relativamente pequeños”, explica Werner Enderle, Jefe de la Oficina de Apoyo a la Navegación de la ESA. Esta tiene sede en el Centro de Operaciones ESOC de la Agencia en Darmstadt, Alemania.

Esta imagen muestra la antena parabólica de 35 m de diámetro de la estación de seguimiento del espacio profundo de la ESA en New Norcia, Australia. Está iluminada por luces terrestres contra el cielo nocturno. La imagen se tomó el 3 de Agosto de 2015. New Norcia (DSA-1) es parte de la red de estaciones terrestres Estrack de la Agencia. Más información.
Crédito: D. O’Donnell / ESA – CC BY-SA 3.0.

«Un grado en la Tierra equivale a miles de kilómetros en el espacio. Entonces si usted no tiene valores precisos para la orientación de la Tierra, puede estar muy lejos»

Obtener estos parámetros requiere una gran cantidad de trabajo analizando los efectos acumulativos del clima, el cambio climático y la actividad geológica. Debido a que estos sistemas son tan complejos, actualmente podemos calcular los cambios en la orientación de la Tierra en escalas de tiempo relativamente cortas. Por ejemplo semanas y meses por delante.

La ESA determina la orientación de la Tierra

Actualmente, estos parámetros vitales son proporcionados por el Observatorio Naval de los Estados Unidos (UNSO). Su cálculo esta basado en contribuciones de instituciones de todo el mundo, incluida la ESA. La ESA está trabajando para determinar sus propios valores de EOP, asegurando el acceso independiente europeo al espacio y eliminando la dependencia de un proveedor externo. Estos valores de orientación, calculados por un equipo de la Oficina de Apoyo a la Navegación, estarán disponibles gratuitamente en otoño de este año. 

La herramienta estima y predice la orientación y la rotación de la Tierra con hasta 90 días de anticipación utilizando mediciones basadas en el espacio. Se obtienen de los Sistemas Globales de Navegación por Satélite (GNSS) y Alcance Láser por Satélite, entre otros. Esta es un área en la que la Oficina tiene una gran experiencia.

Vista del edificio principal del Centro Europeo de Operaciones Espaciales en Darmstadt, Alemania.
Crédito: ESA.

Un algoritmo eficiente

«Nuestro algoritmo utiliza varios datos que describimos a continuación. Las condiciones atmosféricas y meteorológicas. La actividad sísmica. La velocidad a la que aumentan los niveles del mar y el hielo de la Tierra se derrite y una serie de otras variables. Todas ellas interactúan de formas complejas y difíciles de predecir», explica Erik Schoenemann, Ingeniero de Navegación en ESOC que lidera el proyecto.

Es fácil dar por sentados estos valores. Pero toda la actividad de los vuelos espaciales se basa en ellos y se requiere una gran cantidad de trabajo para conseguirlos. Estamos muy contentos de tener ahora nuestra propia fuente de estos datos. Esto asegura nuestra capacidad para realizar misiones complejas en diferentes órbitas y recibir los datos increíbles que envían a casa”.

Hasta ahora, las primeras pruebas muestran que el nuevo algoritmo de la ESA supera significativamente a los que se utilizan actualmente. Ello marca un paso importante para garantizar el acceso independiente de Europa al espacio.

Fuente: European Space Agency, ESA.

Artículo original: «Keeping track of spacecraft as Earth’s water alters its spin». Marzo 22, 2021.

Material relacionado

Sobre la Oscilación del eje de giro terrestre.

La Tierra no siempre rota entorno a un eje que pasa por los polos. En su lugar, el eje terrestre oscila irregularmente en el tiempo, habiéndose movido hacia Norteamérica durante la mayor parte del siglo XX (flecha verde). Esa dirección de movimiento ha cambiado drásticamente debido a cambios de la masa de agua en tierra.
Crédito: NASA/JPL-Caltech.

Los científicos de la NASA usaron datos satelitales para analizar como se mueve el agua alrededor de la Tierra. Resolvieron así dos interrogantes sobre la oscilación del eje de rotación del planeta – una nueva y otra con más de un siglo de antigüedad.

La dirección observada del movimiento polar, se muestra como una línea azul clara. Se compara con la suma (línea rosa) de tres efectos a saber. La influencia de la pérdida de hielo de Groenlandia (azul), el rebote postglacial (amarillo) y la convección del manto profundo (rojo). La contribución de la convección del manto es altamente incierta. 
Crédito: NASA / JPL-Caltech.

Usando datos de observación y basados en modelos que abarcan todo el siglo XX, los científicos de la NASA han hecho un descubrimiento. Identificaron tres procesos categorizados en términos generales, responsables de esta deriva.

Sobre el Tsunami del 11 de Marzo de 2011.

1 de Marzo de 2007-28 de Febrero de 2021. Imágenes del Observatorio de la Tierra de la NASA de Joshua Stevens. Utilizó datos de NASA / METI / AIST / Japan Space Systems, y el equipo científico ASTER de EE. UU. y Japón .

Hace 10 años, un terremoto de magnitud 9.1 sacudió el lecho marino a unos 70 kilómetros de la costa de la región japonesa de Tohoku. El evento sucedió el 11 de Marzo de 2011. Fue el terremoto más grande registrado en Japón y el cuarto más grande del mundo desde que comenzó el registro sísmico alrededor de 1900.

Una de las ciudades costeras más afectadas de Japón todavía está trabajando para recuperarse. El siguiente artículo lo aborda.

El experimento de APOLO que sigue dando resultados

APOLLO (Apache Point Observatory Lunar Laser-ranging Operation) disparando un láser a la Luna. El pulso del láser se refleja en los
retrorreflectores de la Luna y se devuelve al telescopio. 
El tiempo de ida y vuelta indica la distancia a la Luna con gran precisión. En esta imagen, la Luna está muy sobre expuesta, necesario para hacer visible el rayo láser.

Crédito: Dang Long / Wkimedia Commons.

Neil Armstrong, Buzz Aldrin y Michael Collins se retiraron de la Luna hace 51 años. Sin embargo uno de los experimentos que dejaron allí continúa devolviendo nuevos datos hasta el día de hoy. Se trata de las matrices de prismas que reflejan la luz hacia su fuente, y permiten la comprensión de varios aspectos del sistema “Tierra – Luna”. Junto con los astronautas de Apolo 11, los de Apolo 14 y 15 también dejaron matrices: los del Apolo 11 y 14 tienen 100 prismas de vidrio de cuarzo (llamados cubos de esquina) cada uno, mientras que la matriz de Apolo 15 tiene 300.

Hemos podido medir el alejamiento anual de la Luna (de la Tierra), lo que nos permitó comprender la disminución del día terrestre en el tiempo.

El artículo siguiente, lo explica y contiene además recursos sobre el tema:

Curiosidades

Hace 70 millones de años, los días eran 30 minutos más cortos, según surge del estudio de esta antigua almeja.

Un ejemplo de un bivalvo rudista fosilizado del período Cretácico. 
Crédito: Wikipedia \ Wilson44691.

¿La humanidad lo ha estado haciendo todo mal? Estamos ocupados mirando al espacio con nuestros telescopios futuristas y ultrapotentes, hipnotizados por nebulosas etéreas y otros objetos maravillosos. Simultáneamente tratanmos de descifrar los secretos bien guardados del Universo. Resulta que las humildes y antiguas almejas tienen algo que decirnos.

Un estudio presenta evidencia que muestra que la duración del día en la Tierra ha crecido desde el período Cretácico.

ELa siguiente publicción lo expone, junto a una selección de recursos sobre la duración del día terrestre.

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