Sensores Sísmicos en la Antártida: Un Informe sobre el Proyecto de Hielo Profundo del USGS

Recientemente, científicos han logrado instalar sensores sísmicos de alta tecnología a profundidades de 2,5 kilómetros bajo el hielo del Polo Sur. Esta ubicación privilegiada aprovecha el aislamiento acústico de la zona para captar movimientos telúricos globales con una precisión sin precedentes. Además de monitorear terremotos lejanos, los dispositivos permitirán estudiar la estructura interna de la Tierra y el preocupante desplazamiento de los glaciares antárticos. El proyecto surgió de una colaboración estratégica con el observatorio de neutrinos IceCube, utilizando su infraestructura para superar desafíos técnicos y de presión extrema. Una vez que el agua en las perforaciones se congele totalmente, estos instrumentos quedarán fijados permanentemente en el sitio más silencioso del planeta. De este modo, la investigación proporcionará datos cruciales para entender tanto la geodinámica terrestre como el impacto del cambio climático.

Este mes culminó la instalación de dos sismómetros de extrema sensibilidad a 2.5 kilómetros de profundidad en el hielo del Polo Sur, como parte del proyecto Sismómetro de Hielo Profundo del Servicio Geológico de Estados Unidos (USGS). Ubicados en el lugar más sísmicamente silencioso de la Tierra, estos sensores están diseñados para monitorear la estructura interna del planeta —el manto y el núcleo— y capturar los movimientos de la capa de hielo antártica, proporcionando datos cruciales sobre su contribución al aumento del nivel del mar. El proyecto, con un presupuesto de un millón de dólares, fue posible gracias a una colaboración estratégica con el Observatorio de Neutrinos IceCube, que permitió evitar millones en costos de perforación. A pesar de los desafíos técnicos, como la falta de señal GPS y el riesgo de desestabilización durante el congelamiento, los sensores ya están operativos, habiendo detectado su primer terremoto de magnitud 6.1, y se espera que alcancen su pleno rendimiento una vez que el agua circundante se congele por completo en aproximadamente un mes.

Visión General del Proyecto

La iniciativa Sismómetro de Hielo Profundo del USGS representa un avance significativo en la sismología global. Su implementación se basa en una combinación de innovación tecnológica y colaboración interinstitucional para superar las limitaciones de la monitorización sísmica en la Antártida.

Objetivos Científicos Principales

• Sondeo del Interior Terrestre: Llenar un vacío crítico en la red sísmica global para estudiar la estructura y composición del manto y el núcleo de la Tierra mediante el análisis de la propagación de las ondas de terremotos a través del planeta.
• Glaciología y Clima: Capturar los «crujidos y gemidos» de la capa de hielo antártica para mejorar la comprensión de la velocidad a la que se desliza hacia el mar y su impacto en el aumento del nivel del mar.
• Detección Global: Identificar eventos de magnitud superior a 5 en cualquier parte del mundo.
• Aplicaciones Secundarias: Potencialmente, los sensores podrían identificar pruebas nucleares e impactos de meteoritos.

Financiamiento y Colaboración Estratégica

El proyecto fue posible gracias a una alianza clave con el Observatorio de Neutrinos IceCube.

• Asociación: El proyecto del USGS (presupuesto de un millón de dólares) se integró en los planes de modernización de IceCube (presupuesto de 37 millones de dólares).
• Ahorro de Costos: Al utilizar los pozos perforados con chorros de agua caliente por IceCube, el proyecto sísmico evitó millones en costos de perforación. Rob Anthony, geofísico del USGS, lo describe como un apoyo mutuo: «Nos estamos apoyando».
• Antecedentes: Una solicitud similar fue denegada a mediados de la década de 2000 durante la construcción inicial de IceCube (un proyecto de casi 300 millones de dólares) debido al alto riesgo percibido. La propuesta fue aceptada en 2020 gracias a una nueva disposición a colaborar por parte de los físicos de IceCube, como Michael DuVernois de la Universidad de Wisconsin-Madison.

La Elección del Polo Sur como Ubicación Estratégica

El Polo Sur fue seleccionado por ser el entorno más silencioso del planeta para la detección sísmica. Esta tranquilidad es fundamental para aislar las señales sísmicas puras de la Tierra.

• Aislamiento del Ruido Ambiental: La ubicación remota y helada elimina interferencias comunes que los sismólogos deben filtrar, como las olas del océano, el viento, el clima y la actividad humana o animal (tráfico vehicular, estampidas).
• Eliminación de Efectos Rotacionales: Al estar en uno de los polos de rotación del planeta, se anulan las distorsiones que la rotación terrestre produce en las ondas sísmicas de largo período y en el «zumbido» de fondo de la Tierra.
• Mejora de la Red Existente: Los nuevos sensores son una mejora sustancial sobre un sismómetro anterior instalado en 2002 a solo 300 metros de profundidad, que ya está envejeciendo.

Como señala Samantha Hansen, sismóloga de la Universidad de Alabama: «Es un proyecto genial… Aíslas estos instrumentos de todo lo demás en el entorno, tanto que realmente estás escuchando a la Tierra».

Diseño Tecnológico y Desafíos de Implementación

La operación a 2.5 kilómetros bajo el hielo requirió soluciones de ingeniería a medida y la superación de desafíos únicos.

Diseño de los Sensores

• Fabricante: Diseñados por la empresa canadiense de sismología Nanometrics.
• Resistencia Extrema: Cuentan con un recipiente especial diseñado para soportar las altas presiones y las temperaturas gélidas del entorno.
• Sensibilidad Excepcional: Según Geoffrey Bainbridge, diseñador principal de Nanometrics, los instrumentos presentan el nivel de ruido propio más bajo de cualquier sismómetro, siendo incluso más débiles que los ruidos de fondo de la propia Tierra.

Desafíos Técnicos y Soluciones

Desafío	Solución Implementada
Sincronización de Tiempo sin GPS	Las señales de radio de los satélites GPS no penetran el hielo. La solución fue integrar los sismómetros en la electrónica de IceCube. El observatorio astrofísico procesa los datos sísmicos (camuflados como detecciones de neutrinos) y posteriormente los aísla para los sismólogos.
Estabilidad del Instrumento	Durante el congelamiento, la expansión del agua puede desestabilizar los sensores. Una rotación superior a 3° los dejaría inoperativos. Actualmente, los instrumentos se encuentran a 1.5° de la vertical. Un sensor se inclinó 1.6° pero fue devuelto accidentalmente a una posición correcta.
Permanencia de la Instalación	Una vez que el agua se congele, los instrumentos quedarán bloqueados para siempre, sin posibilidad de reparación. Rob Anthony lo resume de forma contundente: «Disparas el cohete; no puedes llamarlo de vuelta y arreglar algo».

Estado Actual y Próximos Pasos

El proyecto ha entrado en su fase operativa inicial mientras finaliza el proceso de instalación.

• Operatividad Inicial: Los sensores ya están activos y comunicándose. La semana pasada detectaron su primer evento sísmico: un terremoto de magnitud 6.1 cerca de Okinawa, Japón.
• Cronograma:
  • Se espera que la columna de agua de los pozos se congele por completo en aproximadamente un mes, fijando permanentemente los sismómetros.
  • El equipo de instalación ha comenzado a abandonar el Polo Sur.
  • En los próximos meses llegará el invierno polar, lo que proporcionará un período de «calma absoluta» para la toma de datos.

Impacto Científico Proyectado

Se espera que los datos de estos nuevos sismómetros tengan un impacto transformador en varias áreas de las geociencias.

• Mejora de la Red Global: Una vez incorporados a la Red Sismográfica Global (que consta de unas 150 estaciones), los nuevos sismómetros serán el doble de eficaces que el sensor de 2002.
• Avances en Glaciología: Su proximidad al fondo de la capa de hielo podría permitir mediciones directas de su deslizamiento hacia el mar, según Mong-Han Huang, geólogo de la Universidad de Maryland.

fuente: revista Science