¿Cómo se determina la disponibilidad de agua subterránea en el planeta? Los satélites y la física de Newton.
Descripción
Por: Marco A. Mora-Ramírez y Mayra N. Márquez-Specia
Resumen
El agua de nuestro querido planeta es un recurso amenazado por el aumento en la demanda de servicios y alimentación de una población global en crecimiento sostenido, este recurso además es frágil ante los efectos del cambio climático. El objetivo de esta lectura es reflexionar sobre la importancia de un principio de física básica en la operación de nuevas tecnologías satelitales que nos permiten actualmente evaluar la disponibilidad de agua subterránea en el planeta para generar información relevante y hacer un uso eficiente de este recurso.
Palabras Clave: satélites, escasez de agua, cambio climático.
La India es la quinta economía en el mundo, y va camino a convertirse en la economía que más rápido crece a nivel mundial, así mismo parece que superará a China en población este año 2023 (Hannah, 2023). La agricultura es una de las actividades esenciales para la India y se practica en la región norte que colinda con la cordillera montañosa del Himalaya donde se emplea agua extraída del subsuelo cuya disponibilidad depende de la recarga abundante de aguas subterráneas para satisfacer las necesidades agrícolas y de agua potable. Hace 15 años se pensaba que el deshielo del Himalaya recargaba el agua subterránea de manera tal que la extracción de este recurso para la agricultura estaba garantizada (Verma & Jamwal, 2022). Sin embargo, hoy en día sabemos que, en 2020 por ejemplo, los recursos de aguas subterráneas extraíbles ascendieron a 397,62 billones de metros cúbicos, cifra que es inferior a la recarga de ese mismo año. Esto resalta la importancia de conocer la disponibilidad de agua subterránea y monitorearla a lo largo de los años. El caso de la India es tan solo un ejemplo de lo que ocurre similarmente en distintas regiones del mundo.
Actualmente, el agua subterránea disponible en el planeta se puede estimar mediante los datos que generan un par de satélites gemelos en combinación con modelos del clima (Houghton et al., 1996). Para explicar el funcionamiento de esta aplicación debemos recordar algunos elementos de física que estudiamos a nivel bachillerato, nos referimos a las leyes de Newton y el movimiento circular. En este contexto una de las primeras preguntas que surge es ¿qué mantiene a un objeto girando en círculo? La respuesta es la fuerza centrípeta, sí, la que apunta hacia el centro del círculo de la trayectoria que recorre el objeto (Resnick, R., Halliday, D., y Krane, 1992). De aquí en adelante se usará Fc para referirnos a esta fuerza. Para ilustrar detalles del movimiento circular, imagine a un deportista de alto rendimiento en el lanzamiento de martillo en los juegos olímpicos, como se observa en la Figura 1. Recordando que el lanzamiento de martillo consiste en lanzar lo más lejos posible a una bola de metal unida a una empuñadura mediante un cable de acero. Para lograr este fin, el deportista debe girar lo más rápido posible sobre su propio eje mientras jala hacia él (Fc) la empuñadura, y cuando es conveniente debe soltar la empuñadura (Fc = 0) y el martillo saldrá volando, dejando de moverse en circulo y comenzando un viaje inicialmente en línea recta, ver Figura 1. Como se comentó, el deportista debe girar lo más rápido posible, al inicio comienza girando a una cierta velocidad y cada vez más rápido, pero mientras incrementa la velocidad de giro, y por lo tanto la velocidad de la bola de acero, tiene que hacer cada vez mayor fuerza para seguir jalando hacia él el cable. En otras palabras, la velocidad de la bola de acero depende de la Fc; a mayor Fc mayor la velocidad de la bola de acero. Este hecho es aprovechado por los satélites como se explica a continuación.
Figura 1. La fuerza centrípeta es necesaria para mantener la trayectoria circular de un objeto y en ausencia de esta el objeto sigue una trayectoria en línea recta. En el lanzamiento de martillo es conveniente girar lo más rápido posible para instantes después eliminar repentinamente la fuerza centrípeta (Fc) que es cuando el atleta suelta la empuñadura.
Ahora, pensemos en el caso de los satélites que orbitan alrededor de la tierra, cuyo movimiento podría aproximarse como un movimiento de trayectoria circular. Nuevamente la primera pregunta es ¿qué mantiene a un satélite girando en circulo?, como hemos dicho previamente, la respuesta es la fuerza centrípeta. En el caso del lanzamiento de martillo está claro que el atleta “jala” hacia él el cable de acero y proporciona la fuerza centrípeta, pero en el caso de los satélites orbitando alrededor de la tierra es la fuerza de atracción gravitacional la que mantiene a los satélites orbitando alrededor de la Tierra. Esta fuerza, claramente no es una fuerza de contacto, es más bien una fuerza de largo alcance entre dos objetos y cuya magnitud dependerá de la separación entre las masas de los objetos (m1 y m2) y la separación entre ellos (r), como se contempla en la Ley de la Gravitación Universal (Tan, 2008). Es importante notar que, a mayor masa, de cualquiera de los objetos, habrá mayor fuerza. Este hecho es fundamental para explicar lo que sucede con dos satélites gemelos.
Figura 2. Etapas del sobrevuelo de los satélites gemelos para detectar anomalías gravitacionales. Nótese que a mayor masa debajo del satélite (y mayor Fc) hay una mayor velocidad.
Como parte de la misión GRACE-FO la comunidad europea lanzo los dos satélites gemelos que están en órbita alrededor de la Tierra y constantemente envían señales de microondas entre sí para medir la distancia entre ellos (NASA, 2023). La Figura 2 muestra las etapas del sobrevuelo de los satélites gemelos sobre la superficie del planeta, notando que en ocasiones pasan arriba de regiones con menor densidad de masa, como podrían ser cuerpos de agua o agua subterránea. La distancia de separación entre ellos varía entre 170 km. a 220 km. La razón de la variación en la distancia de separación se explica porque a medida que los satélites gemelos sobrevuelan la Tierra, pasan por encima de áreas de gravedad ligeramente más fuerte (mayor concentración de masa), pero afectan primero al satélite principal (que va adelante), aumentando su velocidad y por tanto lo alejan del satélite secundario. A medida que los satélites continúan, el satélite secundario, también es influenciado (arrastrado) hacia el satélite principal cuando pasa por encima de esa misma anomalía de la gravedad. El cambio en la distancia sería ciertamente imperceptible para nuestros ojos, pero el sistema de microondas extremadamente preciso está diseñado para detectar cambios minúsculos en la distancia entre los satélites. Un dispositivo de medición altamente preciso conocido como acelerómetro, ubicado en el centro de masa de cada satélite, mide las aceleraciones no gravitacionales (como las debidas al arrastre atmosférico) de modo que solo se consideran las aceleraciones generadas por gravedad. Los receptores del Sistema de Posicionamiento Global (GPS) del satélite determinan la posición exacta del satélite sobre la Tierra dentro de un centímetro o menos. Toda esta información de los satélites se utiliza para construir mapas mensuales del campo de gravedad promedio de la Tierra, ofreciendo detalles de cómo varía la disponibilidad de agua subterránea, aunque también se usa para determinar la cantidad de agua en los grandes lagos y los cambios del nivel del mar. La Figura 3 ilustra la variación anual (2002-2005) de la disponibilidad de agua subterránea en la región norte de la India en el mes de noviembre (Studio, 2016).
El problema de la detección de agua subterránea ha sido tomado como ejemplo para ilustrar la importancia del vínculo de los conceptos básicos de física en problemas actuales y de relevancia global, como es el problema de escasez del agua y del cambio climático (Busalacchi, 2013).Figura 3. Algunos mapas de disponibilidad de agua subterránea en la región norte de la Inda. Los colores cálidos hacia el rojo indican una disminución en la disponibilidad de agua. Fuente: NASA, 2019.
