Descubren que los truenos pueden funcionar como unos “rayos X” naturales para ver hasta 100 metros bajo tierra

CIENCIAS DE LA TIERRA / METEOROLOGÍA.

Un estudio demuestra que la energía de las tormentas permite explorar el subsuelo de una forma inesperada.

La clave está en escuchar vibraciones imperceptibles con una infraestructura que ya atraviesa muchas ciudades.

Recreación artística de truenos generando ondas que penetran en el subsuelo. ChatGPT, César Noragueda.

Primero, aparece el destello; después, llegan esos segundos de espera que casi todos hemos contado alguna vez y, finalmente, el estruendo. El trueno parece terminar ahí: un sonido capaz de sobresaltarnos, anunciar la distancia aproximada de una tormenta o hacer temblar los cristales.

Sin embargo, cabe una pregunta menos evidente: ¿podría ese golpe procedente del cielo decirnos algo sobre lo que permanece escondido bajo nuestros pies?

El problema es más difícil de lo que aparenta. Podemos fotografiar una cordillera desde un satélite y cartografiar una calle con enorme detalle, pero el terreno es opaco. Cavidades, fracturas, capas de roca, sedimentos o zonas debilitadas quedan fuera de la vista. Para conocerlas sin excavar, los geofísicos deben reconstruirlas a partir de señales que atraviesan el interior.

Nolan Roth y sus colegas de la Universidad Estatal de Pensilvania partieron de una pista conocida desde hacía décadas. Los instrumentos sísmicos detectaban sacudidas asociadas al trueno, aunque su enorme complejidad las había convertido más en un obstáculo que en un recurso. En un trabajo publicado en Science Advances, el equipo decidió averiguar si aquel aparente ruido escondía datos aprovechables.

Ver sin abrir la Tierra.

Antes de entender el experimento, hay que aclarar qué significa aquí “ver”. Los científicos no obtienen una fotografía del subsuelo ni lo iluminan con radiación. Elaboran una reconstrucción indirecta por tomografía sísmica: registran cómo se propagan ondas y deducen, a partir de su comportamiento, las propiedades de los materiales que han recorrido.

La idea recuerda a una ecografía. El médico no necesita abrir el cuerpo para obtener indicios de su interior; interpreta cómo se comportan ondas que interactúan de forma distinta con los tejidos. La comparación no implica que ambas técnicas sean iguales, pero ayuda a captar el principio. Incluso golpear una pared y advertir por el sonido que detrás parece existir un hueco parte de una intuición parecida.

En geofísica, las ondas superficiales de Rayleigh son especialmente útiles. Se desplazan cerca de la superficie y distintas frecuencias son sensibles a profundidades diferentes. Si sus velocidades cambian según la frecuencia —un fenómeno llamado dispersión—, esa variación permite inferir cómo se organiza el subsuelo. Es como oír muchas notas de un mismo instrumento: juntas cuentan algo imposible de extraer de una sola.

"Las ondas superficiales de Rayleigh se desplazan cerca de la superficie y distintas frecuencias son sensibles a profundidades diferentes: si sus velocidades cambian según la frecuencia, esa variación permite inferir cómo se organiza el subsuelo".

Cuando el sonido entra en el suelo.

Un relámpago calienta brutalmente el aire que atraviesa. La expansión repentina genera ondas de choque y pronto se transforman en las ondas acústicas que reconocemos como trueno. Pero, cuando esa perturbación alcanza la superficie terrestre, toda su energía no se queda en la atmósfera: una fracción se acopla al suelo y provoca movimientos diminutos.

Esas sacudidas reciben el nombre inglés de thunderquakes, equivalente aproximadamente a “sismos de trueno”. No constituyen el descubrimiento del nuevo trabajo. Se observan desde hace mucho tiempo. La dificultad se da en que el paso del aire a la Tierra produce un campo de ondas enmarañado, con señales que llegan directamente, otras que se dispersan y las que viajan por la superficie, difícil de interpretar.

El avance consiste en demostrar que, dentro de ese barullo, existen ondas de Rayleigh coherentes y aprovechables para hacer una tomografía. La secuencia se entiende mejor así: el rayo origina el estampido, este golpea la superficie, una porción de aquella fuerza continúa como vibración sísmica y su trayecto queda condicionado por lo que encuentra. La tormenta, en cierto sentido, llama a la puerta del planeta. Solo hacía falta un oído extraordinariamente sensible.

Recreación artística de fibra óptica enterrada detectando vibraciones sísmicas. ChatGPT, César Noragueda.

Un estetoscopio de cuatro kilómetros bajo una ciudad.

Ese oído ya estaba enterrado. Los investigadores recurrieron a cuatro kilómetros de fibra óptica de telecomunicaciones bajo el campus de la Universidad Estatal de Pensilvania, en State College, integrados en la red FORESEE. Con una técnica denominada detección acústica distribuida, o DAS por sus siglas inglesas, transformaron el cable en una matriz de sensores.

El procedimiento aprovecha la propia luz. Se envían pulsos por ese conducto y se analiza una pequeña proporción que regresa dispersada. Cuando el cable se estira o comprime ligeramente debido a una vibración, la señal óptica cambia. De este modo, un filamento instalado para transportar datos revela movimientos minúsculos a lo largo de su trazado. En este caso, el sistema disponía de 2.137 canales separados unos dos metros.

La imagen mental es la de un estetoscopio de cuatro kilómetros bajo calles y edificios: arriba, retumba la tormenta; abajo, miles de puntos registran la reacción terrestre.

El equipo examinó más de dos años de observaciones continuas e identificó manualmente 458 sismos de trueno fiables. Para asegurarse de que correspondían realmente a descargas eléctricas, contrastó cada episodio con datos de la Red Nacional de Detección de Rayos de Estados Unidos (NLDN, por sus siglas en inglés), que proporcionaba momento, localización y corriente máxima de los rayos.

De 458 truenos a un mapa de 100 metros.

Una grabación aislada era demasiado caótica para convertirse directamente en una imagen. Los autores filtraron ruido, separaron componentes y recurrieron a correlaciones matemáticas para crear “fuentes virtuales”: una forma de reorganizar los registros que elimina buena parte de la complicada historia recorrida por el sonido en el aire y depura la señal sísmica.

Después, combinaron numerosos episodios. El procesamiento generó unos 141.000 registros equivalentes a fuentes sísmicas virtuales, condensados finalmente en 309 conjuntos distribuidos por los cuatro kilómetros de cableado. De ellos, extrajeron curvas de dispersión y calcularon modelos de ondas de cizalla, que deforman lateralmente el material al propagarse y cuya velocidad aporta pistas sobre sus propiedades mecánicas.

"Compararon los perfiles del subsuelo cosechados con sondeos y estudios de ingeniería independientes, que coincidieron en general en las principales transiciones geológicas".

Entonces, apareció lo que buscaban. Las reconstrucciones resolvieron la estructura hasta unos 100 metros de profundidad y mostraron cuatro regiones de baja velocidad, denominadas WZ-1 a WZ-4. En aquel terreno de roca soluble, propio de un paisaje kárstico, esos valores corresponden potencialmente a sedimentos, roca meteorizada, fracturas o presencia de fluidos: rasgos compatibles con materiales debilitados y complejos de fisuras.

No se limitaron a confiar en el dibujo obtenido. Compararon los perfiles del subsuelo cosechados con sondeos y estudios de ingeniería independientes, que coincidieron en general en las principales transiciones geológicas. Además, observaciones con radar de apertura sintética interferométrica —una técnica satelital capaz de medir deformaciones del terreno— mostraban subsidencia cerca de dos de las zonas. El producto final no es una radiografía literal, pero sí una reconstrucción contrastada con pruebas externas.

Cuando conocer el subsuelo deja de ser simple curiosidad.

El escenario elegido importa. El karst es un tipo de relieve que se forma cuando el agua disuelve lentamente rocas solubles, como la caliza, y crea grietas, conductos, cavidades y, a veces, hundimientos. Los autores señalan que caracterizar mejor estas áreas podría contribuir a limitar daños en infraestructuras, contaminación de acuíferos y otros riesgos para la seguridad pública.

"Caracterizar mejor determinadas áreas podría contribuir a limitar daños en infraestructuras, contaminación de acuíferos y otros riesgos para la seguridad pública".

Pero eso no significa que el método de la Universidad Estatal de Pensilvania prediga socavones: el estudio no demuestra semejante capacidad. Su atractivo está en otro aspecto.

Un estudio sísmico convencional exige a veces desplegar instrumental y generar impulsos específicos. Una tormenta, en cambio, aporta excitación natural sobre decenas de kilómetros cuadrados. Si debajo existe fibra óptica adecuada, la infraestructura cotidiana adquiriría una segunda función: observatorio geofísico.

La opción resulta sugerente en entornos urbanos. Los cables que llevan comunicaciones bajo nuestros pies admiten, cuando las condiciones lo permiten, un uso adicional como redes densas capaces de seguir propiedades del terreno. Lo ordinario —una tormenta y una línea de telecomunicaciones— forma así una combinación científica inesperada.

Recreación artística de una tomografía del subsuelo obtenida a partir de ondas sísmicas. ChatGPT, César Noragueda.

Lo que estos “rayos X” no pueden hacer.

La metáfora del titular necesita límites. No intervienen rayos X auténticos, no surge una fotografía directa y los 100 metros corresponden a la resolución alcanzada en este emplazamiento, no a una profundidad garantizada en cualquier lugar. El procedimiento depende de descargas apropiadas, fibra disponible, instrumentación y un tratamiento computacional considerable.

También existen restricciones físicas. Los autores indican que sedimentos extremadamente someros cuyas velocidades de cizalla sean inferiores a la del sonido en el aire quedan fuera del alcance de este mecanismo.

Sus simulaciones tridimensionales, además, tuvieron limitaciones de frecuencia por los recursos computacionales disponibles y deben considerarse una validación semicuantitativa del acoplamiento entre atmósfera y terreno, no una reproducción exacta de cada amplitud observada.

Precisar estas fronteras no empequeñece el hallazgo. Delimita qué se ha conseguido realmente y separa una nueva vía geofísica de una promesa todavía inexistente.

El cielo también puede servir para explorar la Tierra.

La consecuencia más sugerente es conceptual. La sismología ha buscado tradicionalmente sus fuentes dentro de la Tierra, como los terremotos, o las ha producido de forma artificial. Aquí el impulso procede de la atmósfera: un fenómeno meteorológico se vuelve materia prima para estudiar la geología.

La frontera cotidiana entre “arriba” y “abajo” es menos rígida de lo que imaginamos. Aire y roca intercambian fuerza, una señal que parecía una molestia encierra conocimiento y una red de telecomunicaciones actúa como oído del planeta. Los investigadores plantean que el principio quizá se extienda a otras fuentes atmosféricas de ondas de choque.

"Rayos y truenos no son exclusivos de nuestro mundo, y es una posibilidad futura aprovechar la sismicidad inducida por ellos para explorar cuerpos como Titán".

La idea alcanza incluso otros mundos. Rayos y truenos no son exclusivos del nuestro, y el artículo menciona como posibilidad futura aprovechar la sismicidad inducida por ellos para explorar cuerpos como Titán. Es una perspectiva, no un resultado demostrado.

La próxima vez que un relámpago ilumine el cielo y el estruendo llegue después, habrá algo más que escuchar. Una porción diminuta de ese empuje es capaz de penetrar en el terreno y volver convertida en datos. A veces, para mirar dentro de un planeta, basta con aprender a escuchar.

Por: César Noragueda. Periodista especializado en cine, ciencia y pensamiento crítico.

Sitio Fuente: MuyInteresante