05 octubre 2006

Continentes a la deriva y GPS

Donde vamos dando saltos por puentes continentales desde Gondwana hasta los satélites GPS viendo curiosas relaciones

1. Antecedentes

Ya hace unos 100 años había un registro de fósiles que mostraba extrañas pero claras similitudes entre lugares tan distantes como las costas de Namibia y las patagónicas, o entre el sur de Australia y la Antártida.
La explicación que se daba a esta chocante realidad suena ahora tan pintoresca como la historia de la Atlántida: en tiempos lejanos habían existido puentes entre los actuales continentes. Esta hipótesis permitía el libre tránsito entre lugares lejanos de flora y fauna y la similitud paleontológica entre ellos.
La idea parecía buena pero las similitudes eran tantas que el Hemisferio Sur se convirtió en un nudo de autopistas. En la figura inferior podemos ver el esquema utilizado por Alnold Edward Ortmann, un paleontólogo de primeros del siglo pasado, en una de sus obras.


A. E. Ortmann (1902) Tertiary Invertebrates. Reports of the Princeton University Expedition to Patagonia, 1896-1899. Vol. IV. Palaeontology [pulsar encima para ampliar]

El problema es que estos puentes no eran visibles por lo que se hacía necesario proponer que, por motivos desconocidos, se habían hundido en el océano. Y de eso había tanta evidencia como de la Atlántida.
Al meteorológo Alfred Lothar Wegener no le gustaba el panorama y agrupando evidencias paleontológicas y geológicas propuso entre 1912 y 1915 que los continentes se habían movido. Esta hipótesis se convirtió en una teoría bien fundamentada llamada de la deriva continental.


Pero la propuesta era excesivamente rompedora para la época y la carcajada fue general. También hay que comprender que en ese momento se pensaba (no había motivo para pensar otra cosa) que los continentes eran la parte emergida de un sólido que era la Tierra. Un documento en español sobre esta historia puede descargarse aquí y otro aquí.
Actualmente se ha confirmado lo esencial de la teoría de Wegener aunque se sabe que lo que se mueve son placas de corteza terrestre “flotantes” sobre el manto. Su dinámicase conoce como tectónica de placas. Pueden encontrar reconstrucciones de los movimientos en los últimos cientos de millones de años en esta web.

2. La medida de la posición

GPS es el acrónimo de Global Positioning System, un sistema que permite localizar la posición de un receptor de señales en cualquier lugar de la Tierra. La idea es muy simple: si soy capaz de medir la distancia a tres puntos de posición conocida, seré capaz de conocer la mía. Es un método que en topografía se conoce como trilateración. Los puntos son satélites de la “constelación GPS” que emiten señales que incorporan datos de tiempo extremadamente precisos. Las técnicas de localización no sólo se utilizan en la Tierra sino también en los satélites y en los aviones ya que la constelación GPS orbita a más de 20000 km de la Tierra (la mayoría de los satélites de observación terrestre lo hace a apenas 800 km).

3. El sistema de referencia

Cuando miramos la pantalla de un receptor GPS vemos tres datos de posición: latitud, longitud y altura. Pero para dar estos datos es necesario tener un sistema de referencia: decir 40º de latitud Norte supone conocer dónde está el origen de latitudes (el Ecuador), decir 10º de longitud Oeste supone conocer dónde está el origen de longitudes (el meridiano origen).
¿Cómo se hace eso? En principio la respuesta es que el GPS utiliza un sistema de referencia llamado WGS84 (World Geodetic System 1984). WGS84 es una construcción artificial formada por tres ejes de coordenadas y una superficie de revolución llamada elipsoide.


Los tres ejes permite dar una posición en el espacio y el elipsoide se utiliza como superficie de referencia para las alturas. La definición exacta de estos elementos es imprescindible para saber a qué se refieren las coordenadas geográficas o cualesquiera otras que podamos usar. Como era inevitable, han existido docenas de sistemas de referencia diferentes pero el WGS84 está siendo adoptado de forma general aunque sólo sea para poder manejarse en el GPS. Las principales características de este sistema son:
  • los tres ejes cartesianos y el elipsoide son geocéntricos: tienen su origen en el centro de masas de la Tierra (incluyendo mares y atmósfera).
  • el eje Z coincide con el eje de rotación de la Tierra ya que apunta al International Reference Pole.
  • el eje X apunta al meridiano de longitud 0º también conocido como meridiano de Greenwich o
  • el eje Y es ortogonal con los anteriores y con el X define el plano ecuatorial.
¿Y esto qué tiene que ver con Wegener? se preguntarán ustedes. ¿Qué es eso del International Reference Pole y Meridian? Pues resulta que Greenwich y el meridiano que define están sobre una placa continental que se mueve, luego su posición respecto al resto del mundo varía continuamente. También sabemos que el eje de rotación de la Tierra no es fijo sino que oscila en el tiempo, luego este eje cambia y arrastra con él al Polo Norte. Es más, el centro de masas de la Tierra tampoco está en el mismo punto sino que varía según se mueve todo en la superficie. Las consecuencias son las que pueden suponer: los polos, paralelos y meridianos no son estacionarios respecto a ningún país o punto en concreto de la Tierra.

En efecto, debido a la deriva continental, las diferentes partes del mundo se mueven y cambian de posición relativa varios centímetros al año. El Meridiano y el Polo Internacional de Referencia se hacen estacionarios por convenio respecto a la media de dichos movimientos y su posición debe recalcularse y redefinirse de forma continua. Un auténtico rollo para la navegación de precisión.

Deshagamos, por tanto, un mito: las coordenadas de un punto sobre la Tierra no son fijas, cambian continuamente porque la superficie de la Tierra es dinámica, no estática. La deriva continental no sólo hace que dos puntos en dos placas distintas puedan tener movimientos relativos de varios centímetros al año sino que obligan a actualizar los parámetros de los sistemas de referencia de forma continua.
La magnitud del movimiento no es espectacular pero sí importante para muchas aplicaciones: en Inglaterra las latitudes y longitudes WGS84 cambian a una tasa constante de unos 2.5 cm al año en dirección NE. Otras partes del mundo, como Hawai o Australia, se mueven alrededor de 10 cm al año.
Asi que cuando vean ustedes un vértice geodésico acuérdense de que sus coordenadas fueron buenas un día pero que si no se han revisado no van a ser exactas en este momento. Estamos montados y viajando en una lenta pero perseverante placa continental.

7 comentarios:

Pereque dijo...

Buena entrada.

Pero yo tenía la idea de que un receptor GPS tenía un margen de error de algunos metros... Lo digo porque estoy trabajando en un proyecto que necesita datos del GPS, y suele dar mediciones de altitud en un margen de unos 20 metros. Se me olvidó: ¿las nubes afectan la calidad de la señal GPS? Sé que los cerros (estamos en medio de un sembradío, no hay problema) y los edificios (aquí sí) hacen que la señal rebote y regrese un dato menos exacto...

Saludos, P.

Angel dijo...

Sí, un receptor simple te da coordenadas con errores inferiores a los 10-15 m pero con receptores de buena calidad y técnicas adecuadas (GPS diferencial y usando la fase de la señal) puedes conseguir exactitudes mucho mejores. Unos amigos están kdiendo deformaciones del muro de una presa con GPS y son del orden de mm. ¿El trucoi? Buenos aparatos (30000 euros o más), mucho tiempo de observación y buen proceso de los datos.
Las nubes no afectan a la calidad de la señal ya que son transparentes a las longitudes de onda que se usan. Sí es muy importante la elevación de los satélites sobre el horizonte, su distribución geométrica y su número 8cuantos más mejor). Y, en efecto, entre edificios no se puede hacer debido a los rebotes y ecos de las señales.

Anónimo dijo...

Hola! Soy Merce y ahora mismo estoy haciendo una tésis basada en la caracterización de la atmósfera a partir de las señales GPS. Efectivamente Angel tiene razón; la precisión de las medidas depende de la calidad del receptor y la técnica utilizada en el procesamiento de los datos. En cuanto a cómo afectan las nubes, el tema es un poco más complejo: cuando se utilizan técnicas que proporcionan un error del orden de metros no merece la pena incluir su efecto. Sin embargo, al pasar las señanles por la troposfera (como consecuencia de la cantidad de vapor de agua, entre otras cosas) se puede inducir un error en el posicionamiento del orden de centímetros, destacable si buscamos una precisión del orden de milímetros.
Esto es la humilde opinión de una lectora diaria. Felicidades por el blog.

Angel dijo...

Toda la razón. Por conpletar un poco más lo que comenta Merce, la señal se retrasa al atravesar la atmósfera de forma impredecible lo que degrada la precisión. La "suerte" es que el retraso depende de la longitud de onda de la señal lo que abre una posibilidad de controlar el problema emitiendo en más de una frecuencia simultáneamente. Los satélites lo hacen en dos frecuencias distintas y el receptor puede procesar y corregir el error ionosférico analizando los retrasos en cada frecuencia.
Otro día comentaré la SRTM, una misión de la NASA que ha utilizado radar de doble frecuencia para levantar la topografía terrestre casi al completo en apenas 11 días de operación. El problema era el mismo que con el GPS y la solución fue igual. Actualmente Europa tiene un proyecto a medio hacer para construir una constelación propia llamada Galileo (la GPS proviene de NAVSTAR que es de los EE.UU.). Si se lleva a cabo alguna vez, Galileo será compatible con GPS y mejorará algunos parámetros del sistema.
Saludos.

In I Go dijo...

Un vez más, Heraclito va a tener razón: phanta rei.

Iván dijo...

A traves de mi padre que trabaja en construccion, conoci el por que del error que da el sistema GPS y porque para trabajos de alta precision hay que sincronizar varios equipos para contrarrestarlo.

El problema viene de que el sistema GPS es originalmente militar, y ellos incluyen a parte de limitaciones de acceso en segun que zonas del globo, un error deliberado para afectar a la precision, en aras de la seguridad de ellos.

Parece ser que andan cabreados con los europeos y Galileo pues estos se niegan a meter ese error deliberado y quieren dar total acceso al sistema.

Esto ultimo es noticia algo antigua y es posible que con la actualidad que vivimos haya cambiado algo.

Angel dijo...

Ese error se llamaba "disponibilidad selectiva" y se desactivó el 1 mayo del año 2000. Antes, el uso de un receptor aislado suponía errores de unos 100 m. La idea era dificultar el uso del sistema por el "enemigo" en tiempo real.
Para completar la historia merece la pena comentar que los soviéticos tienen su propio sistema de localización llamado GLONASS pero con graves problemas de mantenimiento por los apuros económicos de estos últimos años en el ex-bloque ex-soviético.

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