Geofísica é uma ciência física dedicada aos processos e às propriedades da Terra e do ambiente espacial que a cerca, estudados com métodos quantitativos e observacionais.Gutenberg, B., 1929, Lehrbuch der Geophysik. Leipzig, Berlin: Gebrüder Borntraeger. Seu foco recai principalmente sobre a forma da Terra e seus campos gravitacional, magnético e eletromagnético. Também estuda a estrutura interna, a composição e a dinâmica do planeta, além de sua expressão na superfície por meio do tectonismo, do vulcanismo e da formação de rochas.Runcorn, S. K., editor-chefe, 1967, International dictionary of geophysics. Oxford: Pergamon, 2 volumes, 1.728 pp., 730 fig."Geophysics", 1970, Encyclopaedia Britannica, vol. 10, p. 202. A geofísica também abrange uma perspectiva de sistema terrestre e planetária, com os oceanos, a atmosfera, a criosfera, a ionosfera, a magnetosfera, as interações Sol-Terra e processos análogos na Lua, em outros planetas e em seus satélites naturais.
O estudo de fenômenos reunidos sob a geofísica remonta à Antiguidade, quando já se investigavam a forma da Terra, o magnetismo e os terremotos. Mais tarde, passou a abranger análises newtonianas das marés, da precessão dos equinócios e das propriedades físicas da Terra. A geofísica é empregada em pesquisa científica e em aplicações como a prospecção de recursos minerais e energéticos, a avaliação e a mitigação de riscos naturais, estudos de água subterrânea e do meio ambiente, investigações arqueológicas e monitoramento ambiental.
A geofísica combina teoria, observação e experimento no estudo da Terra e de sistemas planetários em diferentes escalas espaciais e temporais. Seus métodos abrangem medições em campo, experimentos de laboratório, sensoriamento remoto, modelagem numérica e análise de dados de registros naturais e instrumentais, além de processamento de sinais. Esses métodos são usados desde o estudo do interior profundo até a alta atmosfera e o espaço próximo, assim como na investigação da evolução planetária, da dinâmica e da habitabilidade dos planetas.
Escopo e ramos As subdivisões da geofísica podem ser organizadas pelo sistema estudado, pelo fenômeno físico ou pelo tipo de aplicação. A geofísica da Terra sólida abrange a geodésia física e a gravimetria, a sismologia, o geomagnetismo, a geodinâmica, a geotermia, a física mineral, a petrofísica e a prospecção geofísica. Em uma definição mais ampla, também são estudadas a dinâmica física dos oceanos e da atmosfera, a criosfera, a eletricidade atmosférica, a ionosfera, a magnetosfera, as interações entre o Sol e a Terra e fenômenos físicos de outros corpos planetários.
Outra divisão separa a pesquisa fundamental da geofísica aplicada. A primeira trata das propriedades e dos processos físicos da Terra e de outros corpos planetários. A segunda usa os mesmos princípios e técnicas em problemas como prospecção mineral e energética, hidrogeologia, engenharia, estudos ambientais e arqueologia. As divisões se sobrepõem, e uma mesma técnica pode ser usada em perguntas fundamentais e aplicadas.
Fenômenos físicos A geofísica reúne conhecimentos de diferentes disciplinas, e geofísicos trabalham em praticamente todos os campos das ciências da Terra. Alguns também desenvolvem pesquisas nas ciências planetárias. Entre seus objetos de estudo estão processos físicos da Terra, de suas camadas fluidas e de seu campo magnético, além do ambiente terrestre no Sistema Solar e de outros corpos planetários.
Gravidade miniatura|Modelo do campo gravitacional terrestre produzido com dados da missão GRACE|alt=Modelo do globo com cores e deformações que representam variações do campo gravitacional.
As diferenças na atração gravitacional exercida pela Lua e pelo Sol sobre a Terra produzem as marés. Nos locais com regime predominantemente semidiurno, ocorrem aproximadamente duas marés altas e duas marés baixas por dia lunar, período de cerca de 24 horas e 50 minutos. Nesse regime, o intervalo entre marés altas sucessivas fica próximo de 12 horas e 25 minutos. Há também regimes diurnos, com uma maré alta e uma baixa por dia lunar, e regimes mistos. A forma das bacias oceânicas e do litoral altera os horários e as amplitudes das marés.
As forças gravitacionais fazem com que as rochas exerçam pressão sobre as rochas situadas abaixo delas. Essa compressão tende a aumentar a densidade com a profundidade. Medições da aceleração da gravidade e do potencial gravitacional na superfície terrestre e acima dela podem ser usadas na busca de depósitos minerais, por meio de técnicas como a análise de anomalias gravimétricas e a gravimetria. O campo gravitacional da superfície também contém informações sobre a dinâmica das placas tectônicas.
O geoide é uma superfície equipotencial do campo de gravidade terrestre, que inclui a atração gravitacional e o efeito centrífugo da rotação. Ele se aproxima da superfície que os oceanos teriam em repouso, sem os efeitos de ventos e correntes, prolongada idealmente através dos continentes. A relação entre a forma da Terra, seu campo de gravidade e suas variações espaciais é estudada pela geodésia física.
Vibrações
miniatura|upright=1.3|Representação das deformações de um bloco causadas por ondas de corpo e ondas superficiais. Ver onda sísmica.|alt=Blocos deformados com grades na superfície.
Ondas sísmicas são vibrações que se propagam pelo interior da Terra ou ao longo de sua superfície. A Terra inteira também pode oscilar em formas chamadas modos normais, ou oscilações livres da Terra. Os movimentos do solo causados por ondas ou modos normais são medidos com sismômetros e sismógrafos. Quando as ondas provêm de uma fonte localizada, como um terremoto ou uma explosão, os tempos de chegada medidos por uma rede de estações permitem estimar a posição da fonte. A distribuição dos terremotos contém informações sobre a tectônica de placas e a convecção do manto.
O registro de ondas sísmicas produzidas por fontes controladas permite estudar a região atravessada por elas. Quando uma onda encontra um limite entre materiais com propriedades elásticas ou densidades diferentes, parte de sua energia pode ser refletida. Para ondas compressionais com incidência perpendicular ao limite, a reflexão depende do contraste de impedância acústica, dada pelo produto da densidade pela velocidade da onda. As reflexões registradas pela sísmica de reflexão permitem mapear estruturas da Terra até profundidades de alguns quilômetros e são usadas no estudo da geologia e na prospecção de petróleo e gás. Alterações na direção de propagação decorrentes de mudanças na velocidade das ondas são exploradas pela sísmica de refração para inferir a estrutura profunda da Terra.
Os sismos representam um risco para as populações. O estudo de seus mecanismos, que variam conforme o tipo de terremoto, como intraplaca ou de foco profundo, pode melhorar as estimativas de risco sísmico e orientar a engenharia sísmica.
Eletricidade miniatura|Padrão esquemático das correntes elétricas ionosféricas diurnas produzidas pelo aquecimento solar. Os dois vórtices têm sentidos de circulação opostos.|alt=Esquema com dois circuitos de corrente elétrica na ionosfera do lado diurno da Terra.
Em condições de tempo bom, o campo elétrico próximo à superfície terrestre aponta normalmente para baixo, com um valor típico de cerca de 120 volts por metro ao nível do mar. Os raios cósmicos que penetram na atmosfera produzem íons positivos e negativos, dando ao ar uma pequena condutividade elétrica. A radioatividade natural também produz ionização perto do solo.
As tempestades mantêm a diferença de potencial entre a superfície e a ionosfera, alimentando o circuito elétrico global. A corrente convencional flui para baixo nas regiões de tempo bom e retorna para cima nas regiões de tempestade. Uma estimativa clássica da corrente total nesse circuito é de cerca de 1.800 ampères. As tempestades também produzem relâmpagos, enquanto descargas luminosas como os sprites podem ocorrer na atmosfera acima delas.
Diferentes métodos elétricos são empregados em levantamentos geofísicos. Alguns medem o potencial espontâneo, diferença de potencial que pode surgir no solo em processos naturais ou em perturbações produzidas pelo ser humano. Correntes telúricas circulam pela Terra e pelos oceanos. Elas podem ser geradas pela indução eletromagnética decorrente de variações temporais do campo geomagnético de origem externa ou pelo movimento de corpos condutores, como a água do mar, através do campo magnético terrestre. A distribuição da densidade de corrente telúrica pode ser usada para detectar variações da resistividade elétrica em estruturas subterrâneas. Também é possível aplicar artificialmente corrente elétrica, como ocorre na polarização induzida e na tomografia de resistividade elétrica.
Ondas eletromagnéticas miniatura|esquerda|Distribuição de diferentes tipos de ondas de plasma na magnetosfera terrestre. O esquema mostra regiões em que ocorrem coro, hiss, ondas magnetossônicas e ondas ciclotrônicas eletromagnéticas de íons.|alt=Diagrama da magnetosfera terrestre com regiões ocupadas por diferentes tipos de ondas de plasma.
Ondas eletromagnéticas ocorrem nos plasmas da ionosfera e da magnetosfera. O coro do amanhecer é produzido pela interação entre ondas e elétrons energéticos. Whistlers podem resultar de descargas de relâmpagos cujas ondas se propagam pelo plasma magnetizado. O hiss pode ter mais de uma origem, incluindo a propagação de ondas do tipo coro. Fenômenos elétricos e magnéticos também são investigados em relação a terremotos pelo sismo-eletromagnetismo, mas não foram estabelecidos precursores eletromagnéticos confiáveis para sua previsão.
No ferro líquido altamente condutor do núcleo externo, o movimento do fluido através do campo magnético induz correntes elétricas. Os campos produzidos por essas correntes participam da manutenção do geodínamo. Nesse meio, as ondas magnetoidrodinâmicas envolvem o movimento do fluido e perturbações do campo magnético. Elas não devem ser confundidas com a propagação de radiação eletromagnética no vácuo. Assinaturas de ondas de Alfvén torsionais, com períodos inferiores a uma década, foram inferidas de observações geomagnéticas. Uma análise publicada em 2022 interpretou outras variações, com períodos próximos de sete anos, como ondas magneto-Coriolis, nas quais o campo magnético e a rotação terrestre participam da dinâmica.
Os métodos eletromagnéticos usados em levantamentos geofísicos abrangem eletromagnetismo transitório, magnetotelúrica, ressonância magnética nuclear de superfície e perfilagem eletromagnética do fundo marinho.
Magnetismo
O campo magnético terrestre desvia grande parte das partículas carregadas do vento solar e é usado para navegação há séculos. A maior parte do campo tem origem no geodínamo do núcleo externo. Partículas energéticas guiadas pelo campo magnético podem colidir com os gases da alta atmosfera, produzindo a emissão de luz das auroras.
miniatura|direita|upright=1.1|O eixo dipolar da Terra, em rosa, é inclinado em relação ao eixo de rotação, em azul.|alt=Diagrama com linhas de campo, eixos e linhas magnéticas. miniatura|esquerda|Simulação computacional do campo magnético terrestre em um período de polaridade normal entre inversões.