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Geofísica

Origem: Wikipédia, a enciclopédia livre.
 Nota: Não confundir com Geografia física.
Geofísica
Diagrama em corte da Terra mostrando crosta, manto, núcleo externo e núcleo interno
Geofísica
Estrutura interna da Terra, um dos principais objetos de investigação da geofísica
Área Física e Ciências da Terra
Objeto de estudo A Terra, seus processos físicos, campos e ambiente espacial, e outros corpos planetários
Profissionais Geofísicos
Subdisciplinas Geodésia física, Gravimetria, Sismologia, Geomagnetismo, Geodinâmica, Geotermia, Física mineral, Petrofísica e Prospecção geofísica
Disciplinas relacionadas Geologia, Geodésia, Oceanografia física, Meteorologia, Física espacial e Planetologia
Origem Século XIX como disciplina autônoma
Instituições União Internacional de Geodésia e Geofísica
História História da geofísica

Geofísica é uma ciência física dedicada aos processos e às propriedades da Terra e do ambiente espacial que a cerca, estudados com métodos quantitativos e observacionais.[1][2] Seu foco recai principalmente sobre a forma da Terra e seus campos gravitacional, magnético e eletromagnético. Também estuda a estrutura interna, a composição e a dinâmica do planeta, além de sua expressão na superfície por meio do tectonismo, do vulcanismo e da formação de rochas.[3][4] A geofísica também abrange uma perspectiva de sistema terrestre e planetária, com os oceanos, a atmosfera, a criosfera, a ionosfera, a magnetosfera, as interações Sol-Terra e processos análogos na Lua, em outros planetas e em seus satélites naturais.[5][6]

O estudo de fenômenos reunidos sob a geofísica remonta à Antiguidade, quando já se investigavam a forma da Terra, o magnetismo e os terremotos. Mais tarde, passou a abranger análises newtonianas das marés, da precessão dos equinócios e das propriedades físicas da Terra. A geofísica é empregada em pesquisa científica e em aplicações como a prospecção de recursos minerais e energéticos, a avaliação e a mitigação de riscos naturais, estudos de água subterrânea e do meio ambiente, investigações arqueológicas e monitoramento ambiental.[5]

A geofísica combina teoria, observação e experimento no estudo da Terra e de sistemas planetários em diferentes escalas espaciais e temporais. Seus métodos abrangem medições em campo, experimentos de laboratório, sensoriamento remoto, modelagem numérica e análise de dados de registros naturais e instrumentais, além de processamento de sinais. Esses métodos são usados desde o estudo do interior profundo até a alta atmosfera e o espaço próximo, assim como na investigação da evolução planetária, da dinâmica e da habitabilidade dos planetas.[7]

Escopo e ramos

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As subdivisões da geofísica podem ser organizadas pelo sistema estudado, pelo fenômeno físico ou pelo tipo de aplicação. A geofísica da Terra sólida abrange a geodésia física e a gravimetria, a sismologia, o geomagnetismo, a geodinâmica, a geotermia, a física mineral, a petrofísica e a prospecção geofísica. Em uma definição mais ampla, também são estudadas a dinâmica física dos oceanos e da atmosfera, a criosfera, a eletricidade atmosférica, a ionosfera, a magnetosfera, as interações entre o Sol e a Terra e fenômenos físicos de outros corpos planetários.[7]

Outra divisão separa a pesquisa fundamental da geofísica aplicada. A primeira trata das propriedades e dos processos físicos da Terra e de outros corpos planetários. A segunda usa os mesmos princípios e técnicas em problemas como prospecção mineral e energética, hidrogeologia, engenharia, estudos ambientais e arqueologia. As divisões se sobrepõem, e uma mesma técnica pode ser usada em perguntas fundamentais e aplicadas.[7][8]

Fenômenos físicos

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A geofísica reúne conhecimentos de diferentes disciplinas, e geofísicos trabalham em praticamente todos os campos das ciências da Terra. Alguns também desenvolvem pesquisas nas ciências planetárias. Entre seus objetos de estudo estão processos físicos da Terra, de suas camadas fluidas e de seu campo magnético, além do ambiente terrestre no Sistema Solar e de outros corpos planetários.[7]

Gravidade

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Modelo do globo com cores e deformações que representam variações do campo gravitacional.
Modelo do campo gravitacional terrestre produzido com dados da missão GRACE

As diferenças na atração gravitacional exercida pela Lua e pelo Sol sobre a Terra produzem as marés. Nos locais com regime predominantemente semidiurno, ocorrem aproximadamente duas marés altas e duas marés baixas por dia lunar, período de cerca de 24 horas e 50 minutos. Nesse regime, o intervalo entre marés altas sucessivas fica próximo de 12 horas e 25 minutos. Há também regimes diurnos, com uma maré alta e uma baixa por dia lunar, e regimes mistos. A forma das bacias oceânicas e do litoral altera os horários e as amplitudes das marés.[9][10]

As forças gravitacionais fazem com que as rochas exerçam pressão sobre as rochas situadas abaixo delas. Essa compressão tende a aumentar a densidade com a profundidade.[11] Medições da aceleração da gravidade e do potencial gravitacional na superfície terrestre e acima dela podem ser usadas na busca de depósitos minerais, por meio de técnicas como a análise de anomalias gravimétricas e a gravimetria.[12][13] O campo gravitacional da superfície também contém informações sobre a dinâmica das placas tectônicas.[14]

O geoide é uma superfície equipotencial do campo de gravidade terrestre, que inclui a atração gravitacional e o efeito centrífugo da rotação. Ele se aproxima da superfície que os oceanos teriam em repouso, sem os efeitos de ventos e correntes, prolongada idealmente através dos continentes.[15][13] A relação entre a forma da Terra, seu campo de gravidade e suas variações espaciais é estudada pela geodésia física.[14]

Vibrações

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Blocos deformados com grades na superfície.
Representação das deformações de um bloco causadas por ondas de corpo e ondas superficiais. Ver onda sísmica.

Ondas sísmicas são vibrações que se propagam pelo interior da Terra ou ao longo de sua superfície.[16] A Terra inteira também pode oscilar em formas chamadas modos normais, ou oscilações livres da Terra. Os movimentos do solo causados por ondas ou modos normais são medidos com sismômetros e sismógrafos. Quando as ondas provêm de uma fonte localizada, como um terremoto ou uma explosão, os tempos de chegada medidos por uma rede de estações permitem estimar a posição da fonte. A distribuição dos terremotos contém informações sobre a tectônica de placas e a convecção do manto.[17][18]

O registro de ondas sísmicas produzidas por fontes controladas permite estudar a região atravessada por elas. Quando uma onda encontra um limite entre materiais com propriedades elásticas ou densidades diferentes, parte de sua energia pode ser refletida. Para ondas compressionais com incidência perpendicular ao limite, a reflexão depende do contraste de impedância acústica, dada pelo produto da densidade pela velocidade da onda.[19] As reflexões registradas pela sísmica de reflexão permitem mapear estruturas da Terra até profundidades de alguns quilômetros e são usadas no estudo da geologia e na prospecção de petróleo e gás.[12] Alterações na direção de propagação decorrentes de mudanças na velocidade das ondas são exploradas pela sísmica de refração para inferir a estrutura profunda da Terra.[18]

Os sismos representam um risco para as populações. O estudo de seus mecanismos, que variam conforme o tipo de terremoto, como intraplaca ou de foco profundo, pode melhorar as estimativas de risco sísmico e orientar a engenharia sísmica.[20]

Eletricidade

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Esquema com dois circuitos de corrente elétrica na ionosfera do lado diurno da Terra.
Padrão esquemático das correntes elétricas ionosféricas diurnas produzidas pelo aquecimento solar. Os dois vórtices têm sentidos de circulação opostos.

Em condições de tempo bom, o campo elétrico próximo à superfície terrestre aponta normalmente para baixo, com um valor típico de cerca de 120 volts por metro ao nível do mar.[21] Os raios cósmicos que penetram na atmosfera produzem íons positivos e negativos, dando ao ar uma pequena condutividade elétrica. A radioatividade natural também produz ionização perto do solo.[22]

As tempestades mantêm a diferença de potencial entre a superfície e a ionosfera, alimentando o circuito elétrico global. A corrente convencional flui para baixo nas regiões de tempo bom e retorna para cima nas regiões de tempestade. Uma estimativa clássica da corrente total nesse circuito é de cerca de 1.800 ampères.[21][22] As tempestades também produzem relâmpagos, enquanto descargas luminosas como os sprites podem ocorrer na atmosfera acima delas.[21]

Diferentes métodos elétricos são empregados em levantamentos geofísicos. Alguns medem o potencial espontâneo, diferença de potencial que pode surgir no solo em processos naturais ou em perturbações produzidas pelo ser humano. Correntes telúricas circulam pela Terra e pelos oceanos. Elas podem ser geradas pela indução eletromagnética decorrente de variações temporais do campo geomagnético de origem externa ou pelo movimento de corpos condutores, como a água do mar, através do campo magnético terrestre.[23] A distribuição da densidade de corrente telúrica pode ser usada para detectar variações da resistividade elétrica em estruturas subterrâneas. Também é possível aplicar artificialmente corrente elétrica, como ocorre na polarização induzida e na tomografia de resistividade elétrica.[12]

Ondas eletromagnéticas

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Diagrama da magnetosfera terrestre com regiões ocupadas por diferentes tipos de ondas de plasma.
Distribuição de diferentes tipos de ondas de plasma na magnetosfera terrestre. O esquema mostra regiões em que ocorrem coro, hiss, ondas magnetossônicas e ondas ciclotrônicas eletromagnéticas de íons.

Ondas eletromagnéticas ocorrem nos plasmas da ionosfera e da magnetosfera. O coro do amanhecer é produzido pela interação entre ondas e elétrons energéticos. Whistlers podem resultar de descargas de relâmpagos cujas ondas se propagam pelo plasma magnetizado. O hiss pode ter mais de uma origem, incluindo a propagação de ondas do tipo coro.[24] Fenômenos elétricos e magnéticos também são investigados em relação a terremotos pelo sismo-eletromagnetismo, mas não foram estabelecidos precursores eletromagnéticos confiáveis para sua previsão.[25]

No ferro líquido altamente condutor do núcleo externo, o movimento do fluido através do campo magnético induz correntes elétricas. Os campos produzidos por essas correntes participam da manutenção do geodínamo.[26] Nesse meio, as ondas magnetoidrodinâmicas envolvem o movimento do fluido e perturbações do campo magnético. Elas não devem ser confundidas com a propagação de radiação eletromagnética no vácuo. Assinaturas de ondas de Alfvén torsionais, com períodos inferiores a uma década, foram inferidas de observações geomagnéticas. Uma análise publicada em 2022 interpretou outras variações, com períodos próximos de sete anos, como ondas magneto-Coriolis, nas quais o campo magnético e a rotação terrestre participam da dinâmica.[27]

Os métodos eletromagnéticos usados em levantamentos geofísicos abrangem eletromagnetismo transitório, magnetotelúrica, ressonância magnética nuclear de superfície e perfilagem eletromagnética do fundo marinho.[28]

Magnetismo

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O campo magnético terrestre desvia grande parte das partículas carregadas do vento solar e é usado para navegação há séculos. A maior parte do campo tem origem no geodínamo do núcleo externo.[26] Partículas energéticas guiadas pelo campo magnético podem colidir com os gases da alta atmosfera, produzindo a emissão de luz das auroras.[29]

Diagrama com linhas de campo, eixos e linhas magnéticas.
O eixo dipolar da Terra, em rosa, é inclinado em relação ao eixo de rotação, em azul.
Simulação computacional do campo magnético terrestre em um período de polaridade normal entre inversões.[30]

O campo terrestre se aproxima de um dipolo inclinado, mas varia com o tempo, fenômeno chamado variação secular geomagnética. Na maior parte do tempo, o polo geomagnético permanece próximo ao polo geográfico, mas a polaridade do campo sofre inversões em intervalos irregulares. A escala de tempo de polaridade geomagnética organiza esses intervalos, cujas durações e frequências variaram ao longo do tempo geológico.[31] A inversão completa mais recente, a transição Matuyama-Brunhes, teve seu ponto médio estimado em cerca de 773 mil anos atrás.[32] O evento Laschamp, há cerca de 41 mil anos, foi uma excursão geomagnética, na qual a direção e a intensidade do campo mudaram de modo acentuado sem estabelecer uma nova polaridade duradoura.[33]

Inversões geomagnéticas são reconhecidas na magnetização natural remanente de rochas vulcânicas e sedimentares. Sua assinatura também ocorre em faixas lineares de anomalias magnéticas no fundo oceânico, aproximadamente paralelas às dorsais. Essas faixas fornecem medidas da expansão do fundo oceânico, processo da tectônica de placas. A magnetoestratigrafia correlaciona mudanças de polaridade com outras sequências estratigráficas para construir escalas de tempo geológico.[31] A magnetização das rochas também pode ser usada para reconstruir o movimento dos continentes.[26]

Radioatividade

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Diagrama com esferas representando núcleos e setas indicando transformações.
Exemplo de uma cadeia de decaimento radioativo. Ver datação radiométrica.

O decaimento radioativo fornece uma parcela substancial do calor interno da Terra. Uma análise publicada em 2022, que combinou medições de geoneutrinos com modelos da composição da litosfera, estimou em cerca de 20 TW a potência radiogênica terrestre. Essa estimativa depende dos modelos geológicos usados para separar as parcelas do sinal provenientes da crosta e do manto.[34] Os principais isótopos produtores de calor são o potássio-40, o urânio-238, o urânio-235 e o tório-232.[11][35] Elementos radioativos são usados na datação radiométrica, o principal método para estabelecer uma escala temporal absoluta na geocronologia.[36]

Isótopos instáveis decaem a taxas previsíveis, e as taxas de diferentes isótopos abrangem muitas ordens de grandeza. O decaimento radioativo pode, por isso, ser usado para datar acontecimentos recentes e acontecimentos de eras geológicas passadas. A interpretação das idades exige considerar as condições iniciais e a possível entrada ou saída dos elementos usados na datação.[36] O mapeamento radiométrico por espectrometria gama terrestre e aerotransportada permite estimar concentrações de elementos radioativos próximos à superfície. Esses dados são usados no mapeamento da litologia e de zonas de alteração.[37][38]

Dinâmica dos fluidos

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Diagrama tridimensional e vistas planas de vetores de corrente que giram e diminuem com a profundidade.
Três representações da espiral de Ekman na camada superficial do oceano no hemisfério norte, mostrando a mudança de direção e a diminuição da velocidade da corrente com a profundidade.

Movimentos de fluidos ocorrem na magnetosfera, na atmosfera, no oceano e no núcleo externo. O manto, embora predominantemente sólido e de enorme viscosidade efetiva, também pode fluir por deformação lenta em intervalos de tempo suficientemente longos. Esse comportamento participa de fenômenos como a isostasia, o rebote pós-glacial e as plumas mantélicas.[11] O movimento das placas tectônicas e a circulação do manto fazem parte de um sistema acoplado. O afundamento de placas frias nas zonas de subducção fornece uma das forças que movimentam as placas.[39] No núcleo externo, o movimento do fluido condutor mantém o geodínamo.[26]

A dinâmica de fluidos geofísicos é uma ferramenta da oceanografia física e da meteorologia. A rotação da Terra afeta fortemente a dinâmica de seus fluidos, em grande parte por causa da força de Coriolis. Na atmosfera, esse efeito participa de padrões de grande escala, como as ondas de Rossby, e condiciona a circulação das tempestades. No oceano, a rotação influencia a circulação de grande escala, as ondas Kelvin e as espirais de Ekman na superfície.[40] No núcleo terrestre, a rotação favorece movimentos organizados aproximadamente em colunas paralelas ao eixo de rotação, relacionados ao comportamento das colunas de Taylor.[26]

Ondas e outros fenômenos da magnetosfera podem ser modelados por meio da magnetoidrodinâmica.[29]

Fluxo de calor

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Imagem em falsas cores de um perfil vertical.
Modelo de convecção térmica no manto terrestre. As colunas vermelhas estreitas são plumas mantélicas.

A Terra perde calor de seu interior através da superfície, e sua evolução térmica participa da dinâmica do geodínamo e da convecção mantélica.[41] Esse calor provém principalmente do decaimento radioativo na crosta e no manto, do resfriamento secular do manto e da transferência de calor do núcleo. Transições de fase, como a solidificação do núcleo interno, também participam do balanço térmico.[42]

No manto, o transporte de calor ocorre em grande parte por convecção térmica. A condução térmica predomina na litosfera e tem papel central nas camadas-limite térmicas, como a que se desenvolve junto à fronteira núcleo-manto.[43] Parte do material quente sobe do manto profundo por meio de plumas mantélicas. A potência total perdida pelo interior da Terra foi estimada em 46 ± 2 TW.[42] Essa potência global é distinta da densidade local de fluxo de calor, expressa em watts por metro quadrado. Parte do calor pode ser aproveitada como energia geotérmica.[43]

Física mineral

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Diagrama das transformações de fase dos minerais do manto em função da profundidade e da pressão.
Transformações de fase dos minerais ricos em olivina através da zona de transição do manto, incluindo wadsleyita, ringwoodita e fases de alta pressão do manto inferior.

As propriedades físicas dos minerais precisam ser conhecidas para inferir a composição do interior da Terra a partir da sismologia, do gradiente geotérmico e de outros dados. A física mineral estuda as propriedades elásticas dos minerais, seus diagramas de fase sob alta pressão, pontos de fusão e equações de estado, além das propriedades reológicas das rochas, isto é, sua resposta à deformação e sua capacidade de fluir. A deformação por fluência permite que rochas sólidas escoem lentamente. Em intervalos curtos, elas podem responder elasticamente ou sofrer ruptura, dependendo das condições. Sua viscosidade efetiva depende da temperatura, da pressão e de outras propriedades, condicionando a dinâmica do manto e das placas tectônicas.[11]

A água possui propriedades físicas incomuns que são essenciais à vida.[44] Essas propriedades condicionam a hidrosfera e o ciclo da água, enquanto suas propriedades termodinâmicas participam de processos como a evaporação e as trocas de calor na atmosfera. Os diferentes tipos de precipitação resultam de processos como coalescência, super-resfriamento e supersaturação.[45] Parte da água precipitada passa a constituir água subterrânea. Seu escoamento inclui processos como a percolação, e a condutividade elétrica da água torna possíveis métodos elétricos e eletromagnéticos de acompanhamento desse fluxo. Propriedades como a salinidade, por seu efeito sobre a densidade, afetam o movimento da água nos oceanos.[40][8]

A criosfera abrange os mantos de gelo, as geleiras, o gelo marinho, o gelo de água doce, a neve e os terrenos congelados.[46] O permafrost é definido pela permanência do terreno a uma temperatura igual ou inferior a 0 °C por pelo menos dois anos consecutivos. Ele se distingue do terreno que congela e descongela sazonalmente.[47]

Regiões da Terra

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Tamanho e forma da Terra

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A Terra não é uma esfera perfeita. Sua forma geral se aproxima de um elipsoide achatado nos polos, em parte devido à rotação.[48] O efeito centrífugo produz um abaulamento na região do equador, dando ao planeta sua forma aproximadamente elipsoidal.[48][13]

A forma da Terra varia continuamente. Um dos processos responsáveis é o ajuste isostático glacial, no qual a crosta e o manto respondem à redistribuição das cargas de gelo e água após o derretimento de grandes massas de gelo.[49] Montanhas e fossas oceânicas constituem irregularidades da superfície em relação ao elipsoide. O movimento das placas e as deformações produzidas por terremotos também alteram a forma do planeta.[48]

Estrutura do interior

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Diagrama com camadas concêntricas e trajetórias curvas.
Trajetórias de ondas sísmicas e limites entre camadas do interior da Terra

Dados da sismologia, do fluxo de calor na superfície e da física mineral são combinados com a massa e o momento de inércia da Terra para inferir a composição, a densidade, a temperatura e a pressão de seu interior. A densidade relativa média da Terra, 5,515, é muito maior que a das rochas típicas da superfície, entre 2,7 e 3,3, o que implica materiais mais densos em profundidade. A mesma conclusão decorre de seu momento de inércia, cerca de 0,33 MR2, em comparação com 0,4 MR2 para uma esfera de densidade constante, em que M é a massa e R é o raio. Parte do aumento da densidade resulta da compressão causada pelas grandes pressões do interior terrestre. O efeito da pressão pode ser calculado pela equação de Adams-Williamson. A pressão, porém, não explica sozinha todo o aumento da densidade. O núcleo terrestre é composto principalmente por uma liga de ferro com outros elementos.[11]

Reconstruções da propagação de ondas sísmicas no interior profundo da Terra mostram que ondas S não atravessam o núcleo externo como ondas de cisalhamento. Esse comportamento é compatível com um núcleo externo líquido, pois líquidos não sustentam a propagação de ondas de cisalhamento em seu interior. O movimento desse fluido altamente condutor gera o campo magnético terrestre. O núcleo interno é sólido porque, sob as pressões ali existentes, sua temperatura fica abaixo da temperatura de fusão da liga que o compõe.[14]

As descontinuidades nas velocidades sísmicas ajudam a distinguir a crosta, o manto, o núcleo externo e o núcleo interno. A litosfera pertence a uma divisão baseada no comportamento mecânico e compreende a crosta e a parte superior rígida do manto. O manto é subdividido em manto superior, zona de transição e manto inferior. A região mais profunda do manto, junto ao núcleo, é chamada D′′. A descontinuidade de Mohorovičić separa a crosta do manto.[14][7]

O modelo sísmico da Terra, sozinho, não determina a composição dessas camadas. Para interpretar velocidades sísmicas em termos de composição é necessário recorrer à física mineral. Como as propriedades dos minerais dependem da temperatura, também é preciso determinar a geoterma. Isso exige a aplicação da teoria física à condução térmica, à convecção e ao calor produzido por elementos radioativos.[11]

O Modelo Preliminar de Referência da Terra, conhecido pela sigla PREM, é um modelo de referência unidimensional que fornece propriedades médias em função da distância ao centro da Terra. Publicado em 1981, foi construído a partir de dados como períodos de modos normais, tempos de percurso sísmicos, atenuação, massa e momento de inércia.[50] A tomografia sísmica permite investigar variações laterais que não são representadas por um modelo radial médio.[17] Experimentos de física mineral também refinam a interpretação das estruturas sísmicas. A descoberta da pós-perovskita em 2004, por exemplo, forneceu uma explicação mineralógica para parte das propriedades da região D′′.[51] O manto é composto principalmente por silicatos, e algumas de suas descontinuidades, como as da zona de transição, resultam de mudanças de fase dos minerais.[11]

O manto se comporta predominantemente como um sólido elástico para a propagação de ondas sísmicas, mas pode deformar-se por fluência ao longo de milhões de anos sem deixar de ser sólido. Esse escoamento lento integra a dinâmica das placas tectônicas.[11][41]

Magnetosfera

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Diagrama com superfícies e linhas coloridas.
Esquema da magnetosfera terrestre. O vento solar flui da esquerda para a direita.

A interação entre o campo magnético terrestre e o vento solar forma a magnetosfera. As primeiras sondas espaciais permitiram determinar suas dimensões gerais.[29] Na direção do Sol, a magnetopausa, limite externo da magnetosfera, fica tipicamente a cerca de dez raios terrestres do centro da Terra. Essa distância varia com as condições do vento solar. No lado oposto ao Sol, a cauda magnética pode se estender por centenas de raios terrestres.[52]

Dentro da magnetosfera encontram-se os cinturões de Van Allen, regiões de partículas energéticas aprisionadas pelo campo magnético. O cinturão externo contém principalmente elétrons de alta energia cuja população é fortemente afetada pela atividade solar, enquanto grande parte dos prótons energéticos do cinturão interno resulta de interações de raios cósmicos com a atmosfera terrestre.[53]

Métodos

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Os levantamentos geofísicos também podem ser classificados pela origem do sinal medido. Métodos passivos registram campos ou fontes naturais, como o campo gravitacional, o campo geomagnético e terremotos. Métodos ativos empregam uma fonte controlada, como uma fonte sísmica ou uma corrente elétrica injetada no solo. Essa divisão não coincide rigidamente com as famílias de métodos, pois técnicas sísmicas e eletromagnéticas podem trabalhar com fontes naturais ou controladas.[7][12]

Geodésia

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Diagrama com dois radiotelescópios observando a mesma fonte distante e comparando o tempo de chegada do sinal.
Princípio da interferometria de linha de base muito longa, ou VLBI. Radiotelescópios distantes registram simultaneamente o sinal de uma fonte extragaláctica e permitem medir com alta precisão a geometria entre as estações, técnica usada em geodésia espacial.

Medições geofísicas são feitas em locais e momentos determinados. A medição precisa da posição, assim como da deformação da Terra e da gravidade, pertence ao campo da geodésia. Embora geodésia e geofísica sejam disciplinas distintas, elas são estreitamente relacionadas, e organizações como a União de Geofísica dos Estados Unidos, a Canadian Geophysical Union e a União Internacional de Geodésia e Geofísica abrangem as duas.[54]

Posições absolutas são determinadas com frequência pelo Sistema de posicionamento global, conhecido pela sigla GPS. No posicionamento convencional, sinais de pelo menos quatro satélites permitem estimar as três coordenadas espaciais e o erro do relógio do receptor. As efemérides transmitidas pelo GPS e as coordenadas obtidas a partir delas são referidas ao WGS 84.[55][56]

A geodésia astronômica combina observações de astros com a direção local da gravidade. Ela permite determinar latitude e longitude astronômicas e estudar a relação entre a vertical local e uma superfície de referência. Observações astronômicas e geodésicas também são usadas no estudo da nutação e da oscilação de Chandler. Posições relativas entre estações e parâmetros da rotação terrestre podem ser determinados por interferometria de linha de base muito longa.[54][15][57]

As medições de gravidade passaram a integrar a geodésia porque são necessárias para relacionar medições na superfície terrestre ao sistema de coordenadas de referência. Em terra, a gravidade pode ser medida por gravímetros colocados na superfície ou transportados por aeronaves, incluindo helicópteros. Desde a década de 1960, o campo gravitacional da Terra também é medido pela análise do movimento de satélites. O nível do mar pode ser determinado por satélite com altimetria por radar, auxiliando a determinação do geoide.[54]

Em 2002, a NASA e o Centro Aeroespacial Alemão lançaram a missão Gravity Recovery and Climate Experiment, ou GRACE, formada por dois satélites gêmeos.[58] A missão mapeava variações do campo gravitacional a partir de mudanças na distância entre os satélites, medidas por um sistema de micro-ondas. Receptores GPS determinavam suas órbitas, e acelerômetros mediam as acelerações não gravitacionais. As variações detectadas pelo GRACE permitiam estudar mudanças na distribuição de massa dos oceanos, do escoamento superficial, das reservas de água subterrânea e dos mantos de gelo e geleiras.[59]

Satélites e sondas espaciais

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Satélites tornaram possível coletar dados não apenas na região da luz visível, mas também em outras partes do espectro eletromagnético. Os planetas podem ser caracterizados por seus campos gravitacionais e magnéticos, estudados pela geofísica e pela física espacial.[29][7]

A medição das mudanças de movimento de sondas em órbita permitiu mapear detalhes dos campos gravitacionais dos corpos planetários. Em 1968, a análise de dados de rastreamento das sondas do Programa Lunar Orbiter levou à descoberta de concentrações de massa, os mascons, sob mares lunares como os das bacias de Imbrium, Serenitatis, Crisium, Nectaris e Humorum.[60]

Observatórios e redes permanentes

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Além de campanhas de duração limitada, parte das observações geofísicas é obtida continuamente por observatórios e redes permanentes. Na sismologia, a Federação Internacional de Redes de Sismógrafos Digitais, conhecida pela sigla FDSN, mantém padrões para o intercâmbio de dados e metadados sísmicos, como miniSEED e StationXML, além de interfaces comuns para acesso aos dados.[61]

No geomagnetismo, a rede INTERMAGNET reúne observatórios magnéticos digitais que seguem especificações comuns para medição e registro do campo terrestre e para o intercâmbio de dados.[62] Séries longas obtidas por essas redes são usadas, entre outros fins, no estudo de terremotos, da variação secular do campo geomagnético e de processos do interior da Terra e do ambiente espacial.[17][27]

Sistemas de posicionamento global e sistemas de informação geográfica

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Mapa apresentado em camadas espaciais separadas e sobrepostas em um sistema de informação geográfica.
Exemplo de camadas de dados usadas em um sistema de informação geográfica. Diferentes conjuntos de informações espaciais podem ser sobrepostos e analisados em conjunto.

Como a geofísica estuda a forma da Terra e o mapeamento de feições em sua superfície e em seu interior, suas medições podem exigir determinações de alta precisão por GPS. Essas medições podem ser processadas por GPS diferencial para aumentar sua precisão. Depois do processamento e da inversão dos dados geofísicos, os resultados interpretados são representados por meio de sistemas de informação geográfica, ou SIG.[8]

Programas como ArcGIS e os programas da Geosoft são usados para organizar, visualizar e analisar dados espaciais. Ferramentas especializadas de processamento de campos potenciais, como o módulo MAGMAP do Oasis montaj, permitem aplicar continuação para cima e calcular derivadas dos dados, entre elas a primeira derivada vertical.[63] Essas operações auxiliam a interpretação dos campos gravitacional e magnético.[12][13] Empresas de geofísica também empregam programas próprios no processamento e na visualização de seus dados.[8]

Sensoriamento remoto

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Diagrama mostrando uma fonte de radiação, a atmosfera, a superfície terrestre, um sensor remoto e o processamento dos dados.
Esquema de um sistema de sensoriamento remoto, desde a fonte de radiação e sua interação com a superfície até o sensor, a transmissão e o processamento dos dados.

O sensoriamento remoto é usado em parte das observações geofísicas, em especial quando os sensores são transportados por satélites, aeronaves ou drones. A prospecção geofísica também emprega embarcações, equipamentos terrestres, sondas em furos de sondagem e receptores sísmicos na investigação de recursos energéticos, minerais e hídricos. Métodos magnéticos, gravimétricos, eletromagnéticos e radiométricos podem ser montados em mais de um desses tipos de plataforma.[8]

Os dados brutos precisam ser corrigidos quando a própria plataforma interfere na medição. Em um levantamento aeromagnético feito com uma aeronave convencional de asa fixa, por exemplo, a aeronave pode produzir perturbações magnéticas e eletromagnéticas que precisam ser retiradas dos dados.[12] Também são aplicadas correções para variações temporais dos campos medidos, conforme o método empregado.[12][8]

Perfilagem geofísica de poços

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A perfilagem geofísica de poços mede propriedades físicas das formações atravessadas por um furo de sondagem por meio de instrumentos deslocados ao longo do poço. Os perfis podem responder a propriedades elétricas, acústicas, radioativas, térmicas e a outras características das rochas e dos fluidos. Os resultados são registrados em função da profundidade e usados na petrofísica, na avaliação de reservatórios, em estudos de água subterrânea e na interpretação geológica da subsuperfície.[64]

Processamento de sinais

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Medições geofísicas são frequentemente registradas como séries temporais acompanhadas de coordenadas de GPS. O processamento de sinais inclui a correção de ruídos ou erros introduzidos pela plataforma de medição, como vibrações de aeronaves em dados gravimétricos. Também envolve a redução de outras fontes de variação indesejada, como as variações diurnas em dados magnéticos.[12][8] Em dados sísmicos, eletromagnéticos e gravimétricos, o processamento prossegue depois dessas correções e pode envolver geofísica computacional até a construção de resultados que possam ser interpretados geologicamente.[12][8]

Modelagem numérica e inversão

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A modelagem numérica é usada para calcular o comportamento previsto de sistemas geofísicos quando as equações que os regem não têm solução analítica prática. Na modelagem direta, parte-se de um modelo físico e de seus parâmetros para calcular observações previstas. Quando esse cálculo é numérico, podem ser usados o método das diferenças finitas ou o método dos elementos finitos. Os resultados calculados são comparados com as observações.[65]

Nos problemas inversos, parte-se dos dados medidos para estimar os parâmetros físicos capazes de produzi-los. Na geofísica, a inversão pode gerar modelos da distribuição de densidade, condutividade elétrica, velocidades sísmicas ou outras propriedades no interior da Terra. Diferentes modelos podem ajustar os mesmos dados em graus semelhantes. Técnicas de regularização introduzem restrições ou informações adicionais para estabilizar o problema, enquanto métodos de otimização e de inferência probabilística permitem buscar soluções e avaliar suas incertezas.[66]

História

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Gravura histórica de uma esfera magnetizada dividida por linhas, usada por William Gilbert como modelo da Terra.
Ilustração de De Magnete, de William Gilbert, publicada em 1600, mostrando uma terrella, modelo esférico magnetizado usado para investigar as propriedades magnéticas da Terra.

A geofísica se estabeleceu como disciplina separada no século XIX, a partir de trabalhos que reuniam geografia física, geologia, astronomia, meteorologia e física.[67][68] O primeiro uso conhecido da palavra alemã Geophysik, "geofísica", foi feito por Julius Fröbel em 1834.[69] Fenômenos que passaram a integrar a geofísica, entre eles o campo magnético terrestre e os terremotos, já eram investigados desde a Antiguidade.

Em 1895, Maurycy Pius Rudzki assumiu a direção do primeiro departamento universitário de geofísica e meteorologia, na Universidade Jaguelônica, em Cracóvia.[70]

Antiguidade e período clássico

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Fotografia de uma reconstituição ornamentada em forma de urna, com bicos em forma de dragão.
Reconstituição do sismoscópio de Zhang Heng, um dos primeiros instrumentos da história da sismologia.

As propriedades de atração das pedras-ímã eram conhecidas na Antiguidade. O uso da bússola magnética na China está documentado no século XI, e as primeiras menções europeias datam do fim do século XII, nos escritos de Alexander Neckam.[71] Na China, as bússolas foram empregadas na navegação e no feng shui.[72]

Por volta de 240 a.C., Eratóstenes de Cirene estimou a circunferência da Terra por um procedimento geométrico que partia da forma esférica do planeta. Ele não foi o primeiro a propor essa forma.[73][74] Ele também desenvolveu um sistema de latitude e longitude.[75]

Uma das primeiras realizações ligadas à sismologia foi a invenção de um sismoscópio por Zhang Heng, em 132 d.C.[76] O instrumento era destinado a soltar uma esfera de bronze da boca de um dragão para a boca de um sapo. A posição de um dos oito sapos que recebesse a esfera deveria indicar a direção do terremoto. Seu mecanismo interno não é conhecido com segurança. Em 1703, Jean de Hautefeuille publicou na Europa um projeto de sismoscópio que não chegou a ser construído.[77]

Início da ciência moderna

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Em 1600, William Gilbert publicou De Magnete, obra que reuniu experimentos com ímãs naturais, chamados pedras-ímã, e ferro magnetizado artificialmente.[78] Ao mover uma pequena agulha magnética sobre a superfície de um ímã esférico, Gilbert observou mudanças na orientação e na inclinação magnética da agulha. Ele concluiu que a orientação das bússolas podia ser explicada pelo comportamento magnético da própria Terra.[78] Seus estudos também incluíram experiências elétricas com um versório, instrumento com uma agulha móvel, e a distinção entre atração elétrica e magnética.[79]

Em 1687, Isaac Newton publicou o Principia. A obra estabeleceu fundamentos da mecânica clássica e da gravitação e também explicou fenômenos geofísicos como as marés e a precessão dos equinócios.[80]

Em 1844, James Forbes publicou o projeto de um instrumento sísmico baseado em um pêndulo invertido. Seu lápis traçava o movimento sobre uma superfície de papel imóvel, sem registrar o deslocamento em função do tempo. Em 1875, Filippo Cecchi construiu um sismógrafo destinado a registrar o movimento dos pêndulos em relação ao tempo, por meio de uma superfície de registro movida por um mecanismo de relojoaria.[77]

Ver também

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Referências

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Bibliografia

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Ligações externas

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