¿Cómo pueden medir al milímetro lo que se ha deformado la isla de El Hierro (en Las Canarias)?

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Desde hace un mes aproximadamente la isla de El Hierro sufre un episodio de alta actividad geológica, y se sabe que se ha “abombado” 3.5cm.

¿Te preguntas cómo es posible medir un cambio tan diminuto en una isla de 30km de largo? Es muy fácil si disponemos de satélites, ondas de microondas y electrónica avanzada.

Localización de las estaciones receptoras de GPS del Instituto Geográfico (Fuente: IGN)

Los topógrafos están acostumbrados a realizar mediciones de precisión mediante aparatos de GPS, pero éstos no son los mismos receptores que tenemos en nuestros smartphones ni navegadores del coche. Hace falta explicar un poco cómo funcionan realmente estos receptores para entender su precisión.

Estación GPS del IGN (En este caso de La Rioja)

A lo largo y ancho del territorio nacional existen una serie de estaciones GPS del Instituto Geográfico Nacional (IGN). Aparte de proveer de un muy útil servicio público de localización gratuito, ahora mismo sólo hablaremos de su papel como estaciones receptoras.

El posicionamiento por satélite (el llamado “GPS”) es un tema apasionante y da como para escribir libros ¡así que intentaré moderarme!. Para empezar, cualquier receptor moderno sintoniza una serie de canales de radio en la banda de microondas de varias redes de satélites simultáneamente: la famosa red americana GPS pero también la desconocida rusa GLONASS y, próximamente, la europea GALILEO. Casi todos los receptores de alta gama sintonizan ambas redes para mejorar la cobertura, ya que el objetivo es tener tantos satélites a la vista en un momento dado como sea posible:

(Máximo) número de satélites de
la red GPS visibles en un momento dado.

Cada satélite transmite por un canal usando una codificación digital “especial” que sólo permite enviar 50 bits/segundo (¿pensabas que tu ADSL iba lenta?) pero a cambio permite detectar la señal aunque llegue enterrada entre ruido 100 veces más potente (es la magia de la codificación CDMA). Gracias a eso no hace falta colocar una antena de 20cm a cada móvil con GPS.

Generación de las señales L1/L2 a bordo del satélite. La señal NAV/SYSTEM a 50Hz es pública, la P-CODE sólo se puede decodificar por receptores militares de EEUU (fuente).

Entre la poca información que llega por cada uno de esos canales, se envía la hora con muy alta precisión (tanta como para que sea preciso tener en cuenta que el tiempo pasa más rápido para el satélite que para nosotros según la Relatividad) y las efemérides actualizadas de la órbita del satélite. Haciendo cuentas con esos datos, un receptor es capaz de saber exactamente en qué posición estaba el satélite en relación al centro de la Tierra con una precisión (en teoría) mejor que un metro.

Animación de un detector por correlación, la base de la codificación CDMA (fuente)

A la distancia satélite-receptor calculada así se llama pseudorango, ya que esta distancia realmente contiene errores de hasta cientos de metros por culpa de refracciones de las ondas en las distintas capas atmosféricas. Estos efectos son los que limitan la precisión de un sistema de localización por GPS.

Los receptores “normales”/baratos de los móviles y coches se quedan con esa información, y utilizan un método de integración de información con incertidumbre llamado filtro de Kalman para adivinar en qué posición estamos con mayor probabilidad. Para ello buscan las correcciones a cada pseudorangos de forma que todos ellos coincidan aproximadamente en un único punto tridimensional sobre la Tierra, y esa es la posición del receptor.

El límite de precisión de este método está en el tamaño de los bloques de bits que se ven en el correlador de la figura de arriba. Para conseguir algo mejor, hay que ir un paso más allá: fijarse en la portadora de la señal. Hablamos de una señal de microondas con una longitud de onda del rango de centímetros, por lo que si conseguimos contar longitudes de onda mejoramos la precisión desde los metros, hasta los centímetros:

Enganche de fase de portadora (Fuente)

Existen caros equipos que permiten realizar esto en tiempo real, la llamada tecnología Real Time Kinematic (RTK), que es la que usan los topógrafos en su trabajo de campo.

Las estaciones de medida usadas para medir el desplazamiento de la isla usan la idea de contar “longitudes de onda” explotada en RTK, pero mediante el análisis a posteriori. A partir de múltiples estaciones es posible corregir aún más los pseudorangos en lo que se llama correcciones de post-procesado.

De esta forma se consiguen precisiones de milímetros, que son las barras de los intervalos de confianza que se ven en las siguientes gráficas de desplazamientos medidos en la isla:

Estación HI01
Estación HI03

Podemos ver cómo las dos estaciones (HI01 y HI03, cada una en un extremo de la isla), se han quedado la una prácticamente quieta y la otra desplazado unos 3.5cm por ahora.

Los intervalos de confianza dejan fuera de toda duda que la isla está sufriendo una deformación que está resultando en una enorme acumulación de energía elástica, que se alivia con cada pequeño sismo.

Más info: 1


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