L'uso dei satelliti per mappare aree del nostro pianeta, monitorare le attività umane così come le trasformazioni del territorio e dell'ambiente, finanche "contare" le colonie di pinguini in Antartico o il numero degli orsi bianchi al polo nord, è oramai cosa nota.
I sensori che essi trasportano sono infatti in grado di catturare ed interpretare la radiazione elettromagnetica nelle varie frequenze proveniente dal suolo (osservazione passiva) o la riflessione di onde radio emesse dagli stessi (osservazione attiva), fornendo così in ogni istante un'enorme massa di dati utili agli studi più disparati.Tuttavia molti ignorano come sia anche possibile ottenere dallo spazio informazioni sulla conformazione del sottosuolo terrestre, là dove neppure i radar più sofisticati riescono a penetrare.
Le tecniche di analisi delle onde sismiche non sono infatti l'unica fonte di informazioni su "quanto ci sia là sotto" di cui possiamo disporre per soddisfare le nostre curiosità : vi si devono necessariamente aggiungere le rilevazioni raccolte dalla coppia di satelliti chiamati "Grace" (Gravity Recovery and Climate Experiment, Esperimento per il recupero di dati sulla gravità ed il clima condotto dagli USA e dalla Germania, vedi l'omonima voce su Wikipedia) messi in orbita nel marzo 2002 e rimasti operativi sino all'ottobre del 2017.
Scopo originario della missione era quello di ottenere una misura di precisione relativa all'influenza dei movimenti delle masse d'acqua sul campo gravitazionale terrestre, così da meglio comprendere l'influenza sul "climate changing" da parte delle correnti oceaniche (le cui caratteristiche fisiche stanno mutando a causa del riscaldamento globale e dello scioglimento dei ghiacci), e nello stesso tempo monitorare le derive tettoniche dei continenti.
Risultato dei 15 anni di attività è una dettagliatissima mappa delle "anomalie gravitazionali" che disegnano una superficie 3D piuttosto irregolare: di cosa si tratta?
Spesso si dimentica che la gravità mareale viene prodotta non soltanto dai corpi celesti (galassie, buchi neri, stelle, pianeti e lune, ed anche le onde gravitazionali) ma da tutti quanti gli "oggetti gravitazionali" dotati di una massa: il nostro stesso corpo, con la sua massa, provoca effetti gravitazionali seppur infinitesimali.
Le regioni della crosta terrestre sotto la quale si estendono giacimenti di idrocarburi sono caratterizzate da una densità inferiore rispetto ad altre aree dove il sottosuolo sia costituito di sola solida roccia: ne consegue che il campo gravitazionale misurato in corrispondenza delle prime risulti più debole.
Come possiamo rappresentare graficamente gli effetti mareali?
All'inizio dello scorso decennio David Nichols, studente di Kip Thorne, propose un nuovo tipo di rappresentazione grafica, per visualizzare gli effetti mareali sulla materia in caduta verso l'orizzonte degli eventi di un buco nero, che chiamò "tendex" (linee di stiramento), dal verbo latino "tendere".
Dal tensore di Riemann, una grandezza matematica presente nella teoria della relatività utile a descrivere i dettagli della curvatura dello spazio tempo, è possibile ricavare curve che rappresentino lo "schiacciamento" e lo "stiramento" cui sono soggetti i percorsi seguiti dalla materia.
Si tratta di un modo diverso di pensare la curvatura dello spazio tempo:
- da un lato possiamo pensare sia la materia a seguire le linee geodetiche in uno spazio 4D (cioè linee più dirette possibili in uno spazio tempo curvo),
- dall'altro che siano le linee tendex a provocare stiramento e schiacciamento e dunque a rappresentare la curvatura dello spazio e del tempo.
Le forze mareali sottopongono un corpo sia a stiramento che schiacciamento: il primo sarà avvertito in direzione del centro della massa che esercita tale forza, mentre il secondo perpendicolarmente al primo (descrizione basata sulle leggi relativistiche).
Qualora il campo gravitazionale sia generato da una massa enorme, tipo quella di un buco nero, concentrata in uno spazio limitato, si assiste all'effetto definito "spaghettificazione".
Nella figura allegata vediamo come anche una descrizione basata sulle leggi di Newton - secondo le quali l'attrazione gravitazionale esercitata dalla Luna converge verso un solo punto coincidente con il centro della sua massa - fornisca una spiegazione del fatto che i fianchi del nostro pianeta tangenti ad una linea retta che li unisce al centro della Luna, siano sottoposti ad una forza di schiacciamento (la stessa che da luogo al fenomeno della bassa marea).
In tutte le immagini allegate (tratte dal saggio "Viaggiare nello spazio tempo" di Kip Thorne) le linee rosse evidenziano la presenza di un effetto di stiramento, mentre quelle azzurre di schiacciamento.
Nel caso delle forze mareali presenti sulla Terra a causa della vicinanza con la Luna, le linee tendex rosse avranno direzione verso il satellite mentre quelle azzurre saranno loro perpendicolari.
Abbiamo già detto come la densità di un corpo sia proporzionale all'attrazione gravitazionale esercitata: dunque regioni della crosta terrestre contenenti giacimenti di idrocarburi eserciteranno "meno attrazione" rispetto alle aree rocciose, e questo fatto porta ad uno schema particolare di distribuzione delle forze gravitazionali mareali.
Usando la rappresentazione delle linee tendex ottenute come appena descritto, vedremo emergere linee tendex azzurre (schiacciamento) dai terreni sotto i quali si trovino riserve di idrocarburi, rosse (stiramento) qualora il sottosuolo sia composto in prevalenza da rocce.
Naturalmente in ogni punto della mappa così ricavata la relativa linea rossa sarà perpendicolare a quella azzurra.
Per misurare questi schemi mareali (l'intensità del campo gravitazionale) è utilizzato uno strumento chiamato "gradiometro gravimetrico": esso è composto da due barre solide che si incrociano, attaccate ad una molla torsionale, ai cui estremi sono fissate due masse sensibili alla gravità .
In condizioni normali le due barre si incrociano formando angoli di 90°: una scala numerata indica la misura dell'angolo formato dalla parte superiore delle due barre, definito "angolo di lettura del gradiometro".
Le linee tendex azzurre schiacciano le due masse superiori (e lo stesso fanno con quelle inferiori) provocandone il loro avvicinamento.
Le linee tendex rosse invece stirano le due masse a destra separandole (e lo stesso fanno con quelle a sinistra).
Così si assiste ad una riduzione della misura dell'angolo di lettura sino a quando la molla non bilancia le forze mareali.
Passando sopra un giacimento di idrocarburi l'angolo di lettura dello strumento aumenta per poi diminuire quando il sottosuolo risulta più denso.
I geologi, alla ricerca di petrolio e di depositi minerali, usano gradiometri più sofisticati ma comunque basati su questo principio.
Il satellite GRACE1 della NASA montava invece un gradiometro molto più sofisticato chiamato GRACE40: un fascio di microonde misurava costantemente la reciproca distanza tra i due satelliti GRACE, che tendeva a diminuire in presenza di linee tendex azzurre e ad aumentare in presenza di linee tendex rosse.
Tale strumento si è dimostrato particolarmente utile per mappare il campo gravitazionale in ogni punto al di sopra della superficie terrestre, ed osservare così i lenti cambiamenti della gravità mareale prodotti ad esempio dallo scioglimento delle calotte polari.
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