1 RESUMEN
La medida del nivel medio del mar es muy
importante en la actualidad. Ésta nos ha servido habitualmente
para definir el
origen del cero altimétrico de las redes de nivelación
estatales. Por otra
parte, el estudio del cambio climático requiere conocer el
cambio del nivel
medio del mar, para poder realizar un seguimiento de este.
Este artículo pretende
mostrar cuales son los métodos de determinación actuales,
así como
las correcciones necesarias que deben aplicarse a las mediciones.
INTRODUCCIÓN
Nivel
medio del mar (MSL).
Según la organización internacional
“Permanent
Service for Mean Sea Level” el nivel medio del mar (MSL) se define
como, el
nivel de las aguas tranquilas del mar promediado durante un periodo
determinado
de tiempo (meses, años) de tal forma que los efectos provocados
periódicamente
por mareas y por otras causas frecuentes como las olas quedan
compensados. Ésta
definición es utilizada por los usuarios de mareógrafos.
De esta forma habrá
diferentes valores según la zona de estudio.
Para los usuarios de altimetrita por satélite, el nivel medio del mar en un instante es un único valor para todo el mundo. Este se obtiene a partir del promedio de los valores de altura de la superficie del mar sobre el elipsoide corregidos (corSSH) de efectos físicos (mareas, efecto barométrico inverso, etc) y instrumentales (retardos de la señal del satélite debidos a la atmósfera, error orbital radial, etc). Cada valor de altura corregida se refiere a un área de igual tamaño.
La relación entre el nivel medio del mar
obtenido con mareógrafos y el nivel medio del mar obtenido por
altimetría por
satélite, esta hoy en día, en investigación.
Tipos
de alturas y
superficies de referencia.
Para la determinación del nivel medio del mar
(MSL), tenemos que decidir previamente que tipo de altura queremos
obtener:
- Altura ortométrica (H). Que es la altura de un punto medida a lo largo de la vertical astronómica a partir de la superficie equipotencial de referencia o geoide.
- Altura elipsoidal (h). Que es la altura de un punto medida a lo largo de la vertical elipsoidica a partir de la superficie de referencia llamada elipsoide.
La diferencia entre estas dos alturas en un
punto es lo que conocemos como ondulación del geoide (N).
Ésta va variando para
cada punto de la superficie terrestre. De esta forma necesitamos
conocer un
modelo de geoide que nos indique la ondulación en cada punto
para poder pasar
de un tipo de altura a otro.
Las alturas ortométricas son las que utilizamos habitualmente, ya que están basadas en el campo gravífico de la tierra. Las redes de nivelación nacional suelen utilizar este tipo de alturas.
Las alturas elipsoidales se utilizan generalmente cuando trabajamos con geodesia espacial. Estas tienen una base puramente geométrica.
Para entender la diferencia entre el elipsoide (superficie de referencia geométrica) y el geoide (superficie de referencia física) podemos pensar en el comportamiento que tendría una esfera encima de cada una de ellas.
Al ser la superficie del geoide formada por
puntos de igual potencial gravífico si colocamos una esfera
sobre él, no se
producirá ningún movimiento de ésta.
En cambio, la superficie del elipsoide es puramente geométrica y cada punto de esta tiene diferente potencial gravífico, por lo que una esfera se movería hasta encontrar el punto con más potencial. Es decir, “caería” hasta encontrar el punto “mas bajo”.
En la actualidad se tienen modelos de geoide
globales, pero la precisión de estos dista mucho de la necesaria
para ciertos
trabajos como el que nos ocupa. Según Martin
et al. el error teórico
ronda el medio metro para la
ondulación (N).
Para trabajos de ámbito regional, se puede utilizar un modelo de geoide regional, que si lo ajustamos con puntos de control GPS/ nivelación /gravedad, podemos llegar a obtener precisiones de unos 8 cm. en la ondulación.
De esta forma, vemos
como el hecho de pasar de un tipo de altura a otro, nos hace perder
precisión.
Fenómenos que influyen en el nivel
del mar.
Hay varios aspectos que influyen en la medida
del nivel medio del mar. El más importante es quizás el
fenómeno de las mareas,
aunque también influyen las perturbaciones metereológicas
como el viento y la
presión atmosférica. Necesitamos conocer como
actúan estos fenómenos para poder
reducir la superficie instantánea del mar al nivel medio del mar.
Métodos
de medida.
Los métodos que se utilizan en la actualidad
para la medición del nivel medio del mar son principalmente:
- Mareógrafos. Son unos aparatos situados en la línea de costa, que van efectuando medidas continuas de la superficie instantánea del mar (m).
- Satélites altimétricos. Nos dan mediciones de altura del satélite con respecto de la superficie instantánea del mar (A). Tienen la ventaja respecto al método anterior que las medidas no se limitan a unos cuantos puntos de costa sino que abarcan toda la superficie del mar.
PROCESOS NATURALES QUE AFECTAN A LA MEDICIÓN DEL NIVEL DEL MAR
Mareas.
Este es el proceso más importante que afecta
al nivel del mar. Es debido a la atracción que ejercen la luna y
el sol sobre
la masa de agua. Esto hace que cada día haya aumentos y
disminuciones en el
nivel del mar.
Los parámetros que normalmente se miden son:
- El rango que hay entre el punto más alto de la marea (marea alta) y el punto más bajo (marea baja)
- El periodo entre dos mareas altas o bajas consecutivas.
El patrón de mareas varía en función de si
estamos en aguas abiertas como océanos o semi-cerradas. De forma
general
tenemos que:
- Cada ciclo de mareas tiene una media de 12 horas 25 minutos. Esto es debido a que el periodo de paso por un lugar de la luna es de 24 horas 50 minutos. A este tipo de mareas se les llaman mareas semidiurnas.
- Los ciclos de mareas van variando en su intensidad (mas o menos rango) en un periodo de aproximadamente 14 días.
- Las mareas de más rango, llamadas mareas vivas, suceden cuando están alineadas la Tierra, la Luna y el Sol. Coincide unos pocos días antes de la luna llena y nueva.
- Las mareas de menos rango, llamadas mareas muertas, suceden en el caso contrario. Coinciden un poco antes de los cuartos creciente y menguante de la Luna.
- Otro factor que contribuye a aumentar o disminuir el rango de las mareas es la cercanía o lejanía de la Luna. Cuando la Luna esta en su punto más cercano a la Tierra (perigeo) las mareas tienen más rango. En cambio, cuando la Luna esta en su punto más lejano respecto a la Tierra (apogeo), el rango es más bajo. Este ciclo del movimiento lunar es de aproximadamente 27,55 días solares.
- Las mareas con el rango más grande coinciden cuando tenemos mareas vivas (Luna, Tierra y Sol alineados) y la Luna se encuentra en el perigeo.
De forma general las mareas no suelen
sobrepasar un rango de 2 metros entre marea alta y baja. Esto suele
suceder en
la mayor parte de los océanos (aguas abiertas). En zonas donde
las aguas están
más cerradas estas pueden llegar a tener rangos de más de
10 metros.
Perturbaciones metereológicas. Presión y viento.
El nivel del mar se ve afectado también por las perturbaciones metereológicas, siendo más significativo en caso de tormentas.
Los efectos también dependerán de cuanto tiempo actúan estas perturbaciones metereológicas y de la densidad del agua.
Las variables que afectan más al nivel del mar son:
Presión atmosférica. La presión atmosférica ejerce una fuerza vertical sobre la superficie del mar. Por eso, los cambios de esta presión hacen que varíe el nivel del mar.
La formulación
matemática es la siguiente:
siendo,
Δξ, variación en altura debido al cambio de
presión atmosférica, en cm.
ΔPA, variación de la presión atmosférica en milibares.
g, aceleración de la gravedad
ρ, densidad del agua del mar.
Frecuentemente en zonas no tropicales la
presión atmosférica estándar es de 1013 mb, y
suele variar anualmente entre 980
y 1030 mbares, lo que supone unas diferencias del nivel del mar de
entre +0,33
m y -0,17 m.
Según Tel,E. y García,
M.J. éste es el factor más importante a considerar
en las variaciones de
nivel del mar debidas a perturbaciones metereológicas
Viento. El viento
genera fuerzas paralelas a la superficie del mar, lo que genera una
variación
en el nivel de éste. El incremento de nivel del mar es
proporcional a la velocidad del viento e
inversamente proporcional
a la profundidad del fondo marino.
El efecto del viento es importante en el caso
de tormentas. Hay dos tipos de tormentas: las tropicales que suelen ser
cortas
y muy intensas que son hasta el momento poco modelables, y las
tormentas
extratropicales que son generadas por tormentas de gran
extensión y pueden
durar varios días que si se pueden estudiar con modelos
hidrodinámicos.
En un ejemplo explicado por Pugh, una tormenta de tipo extratropical que afecte una zona de unos 200 km de longitud, con una velocidad del viento de 22 m/seg y una profundidad media de 30 metros puede provocar un incremento de 0.85 metros en el nivel del mar.
MÉTODOS DE MEDICIÓN
MAREÓGRAFOS
Introducción.
Los mareógrafos han sido históricamente
los
aparatos utilizados para medir el nivel del mar. La forma de
medición difiere
dependiendo del tipo de mareógrafo utilizado. Todos ellos, miden
el nivel del
mar instantáneo de forma continua en un lugar concreto de la
línea de costa. De
esta forma, no podemos obtener información de los cambios del
mar en toda su
extensión, sino que se limitan a ciertos puntos de la
línea de costa.
En muchos países se ha utilizado el nivel medio del mar extraído de uno de sus mareógrafos como cero altimétrico a la que esta referida su red de nivelación nacional. Por ejemplo España la tiene referida al nivel medio del mar obtenido con mediciones efectuadas en el mareógrafo de Alicante.
Generalmente estos mareógrafos están conectados con las redes de nivelación nacionales mediante itinerarios altimétricos de precisión, y a sistemas de referencia geodésicos mediante el uso de receptores GPS.
Tipos
de mareógrafo y principio de medida.
Todos los mareógrafos miden la
distancia vertical entre un punto principal
de referencia (TGBM) y la superficie instantánea del mar. La
precisión en la
medida de todos estos tipos de mareógrafos es alrededor de 1 cm. Existen varios sistemas:
Mareógrafos de flotador.
La idea de montar el flotador dentro de un tubo es simplemente para evitar el efecto directo que podrían tener las olas en el flotador, que distorsionarían las medidas.
Éste es el mareógrafo clásico. Aunque en la actualidad existen mejores tipos de mareógrafos, aun se siguen utilizando ampliamente.
Mareógrafos de presión.
Miden la presión
submarina en un punto donde
se conoce la densidad del agua y la aceleración de la gravedad.
Con estos datos
se puede obtener la altura buscada.
Miden
el tiempo en el que una señal acústica
recorre la distancia vertical entre el emisor y la superficie del mar
que la
refleja. De esta forma obtenemos la altura instantánea del mar.
Mareógrafos de radar.
De forma similar al anterior pero utilizando frecuencias de radar. Estos son los más modernos.
Conexión con el punto principal de referencia y los sistemas de referencia oficiales.
El mareógrafo mide la continuamente la altura
del nivel instantáneo del mar. Pero se necesita tener un punto
fijo al que
referenciar todas estas medidas. Éste es el llamado punto
principal de
referencia (TGBM).
Cada mareógrafo dispone de un punto de contacto (CP) situado en el aparato mismo, del que se conoce la situación respecto al origen del sistema instrumental de medida.
Para conocer el desnivel existente entre el punto de contacto y el punto principal de referencia se realiza una nivelación de alta precisión. Conociendo este desnivel y las medidas del mareógrafo, podremos obtener la altura del mar con respecto a este punto (TGBM).
El punto principal de referencia (TGBM) es importantísimo, para poder tener datos a lo largo del tiempo referidos al mismo datum. Debemos asegurar su conservación y obtener medidas que nos permitieran reconstruir la referencia en caso de pérdida.
Para ello, se suelen disponer unos puntos de apoyo alrededor de éste (a una distancia que puede variar de unos cientos de metros a unos pocos kilómetros), y se realizan nivelaciones de precisión con el punto principal (TGBM) desde cada uno de ellos.
Otro problema a tener en cuenta en la conservación de la referencia de las medidas es la estabilidad del terreno donde tenemos situada el punto principal de referencia. Con este sistema estamos midiendo los cambios que tiene el nivel del mar con respecto a un punto de referencia que consideramos estable (TGBM). Pero, este punto también puede tener movimientos verticales, debido a diferentes causas como la inestabilidad del terreno. Para poder controlar estos movimientos se repiten periódicamente las nivelaciones de precisión entre el punto principal (TGBM) y los de apoyo.
Pero estos los puntos de apoyo también pueden verse afectados por la inestabilidad del terreno. La solución para poder obtener medidas independientes de la estabilidad de la marca principal de referencia (TGBM) es realizar mediciones de la gravedad con un gravímetro absoluto.
Para poder relacionar las mediciones de varios mareógrafos y realizar estudios de ámbito no local, necesitamos referenciar las medidas a un sistema de referencia oficial.
En cada mareógrafo suele haber una antena GPS estacionada en un punto (GPSBM). Este se relaciona con el punto de referencia principal mediante nivelaciones de alta precisión. La utilización de este GPS nos permite georeferenciar las medidas del mareógrafo a un marco de referencia VLBI/SLR como el ITRF.
Por otro lado se suele conectar también la red de nivelación local del mareógrafo a la red nacional de nivelación.
En este sentido cabe destacar el proyecto internacional “Tide Gauge Benchmark Monitoring (TIGA). Este es un proyecto del IGS que desde el 2001 controla la posición de aproximadamente 100 mareógrafos en un marco de referencia internacional.
Cálculo del nivel medio del mar.
El nivel medio del mar (MSL) lo podemos
calcular como:
A la hora de calcular el nivel medio del mar se suele disponer de medidas cada hora de los mareógrafos. Los efectos provocados por las mareas y por las perturbaciones metereológicas se suelen eliminar promediando estos valores.
Así pues,
Siendo m(h) el valor obtenido por
el
mareógrafo en la hora h.
Siendo p(i) un peso que debemos aplicar
dependiendo del número de días del mes
Para mejorar el resultado se pueden aplicar filtros de paso bajo (ver pag 303 Pugh) a los valores horarios antes de hacer la media.
El programa GLOSS
El programa GLOSS, es un sistema de observación global del nivel del mar. Su objetivo principal es mantener una red internacional de mareógrafos que permita estudios oceanográficos, climáticos y del nivel del mar. Esta formado en la actualidad por 290 mareógrafos repartidos por todo el mundo de los cuales se pueden obtener multitud de datos.
ALTIMETRÍA POR SATELITE
Introducción.
Los satélites altimétricos nos dan la
distancia existente entre el satélite y la superficie
instantánea del mar. Al
conocer la órbita de estos satélites, podemos hallar la
superficie media
oceánica con una precisión de 5 a 10 cm.
A diferencia del uso de
los mareógrafos, esta
técnica permite obtener datos de toda la superficie
oceánica, no limitándose a
unos pocos puntos en la costa. Cabe señalar pero, que con los
satélites
altimétricos no podemos obtener datos muy cercanos a la costa
(una franja de
unos 14 km.)
Principio
de medida.
El satélite envía un pulso de microondas hacia la superficie del mar. Ésta la refleja y es captada otra vez por el satélite Al medir el tiempo en que la señal realiza este trayecto nos calcula la distancia entre el satélite y la superficie instantánea del mar (R).
Esta distancia tiene que ser corregida por múltiples efectos (c), como veremos en el apartado siguiente, para conocer la distancia a la superficie media oceánica (A).
La orbita del satélite es
seguida mediante
diversas técnicas como el SLR, el DORIS,y el GPS, obteniendo
tras aplicar la
llamada corrección del error orbital radial, la altura
elipsoidal (hs) satelital
con gran precisión.
Generalmente se corrige la altura de la superficie del mar por varios efectos, obteniendo la altura de la superficie del mar corregida (corSSH). De esta forma cuando se habla de SSH se suele utilizar la corSSH.
Siendo,
DT, la altura correspondiente a la topografía dinámica marina. La topografía dinámica marina (DT) es debida principalmente a la circulación oceánica. Existen modelos de esta.
N, ondulación del geoide.
De esta forma, teniendo la altura de la superficie marina (SSH) que nos proporciona la altimetría por satélite podemos obtener:- La ondulación del geoide si tenemos un modelo de la topografía dinámica.
- La topografía dinámica, si tenemos un modelo de geoide. Sin embargo en la actualidad los modelos de geoide global no tienen la precisión requerida para ello.
Por último, la superficie media del mar (MSS),
son modelos que nos dan la altura de la superficie del mar desde el
elipsoide
promediada durante un periodo largo de tiempo. Estos datos están
calculados en
forma de cuadrícula.
Correcciones.
La distancia que obtiene el altímetro del satélite en una primera instancia (R), debe ser corregida por varias causas para obtener la altura de la superficie del mar corregida (corSSH)
Las correcciones las podemos dividir en dos:
- Correcciones a la altura medida. Incluyendo las correcciones instrumentales (retardo troposférico, ionosférico, sesgo electromagnético y errores instrumentales.) y físicas (mareas, efecto barométrico inverso, marea terrestre y movimiento del polo).
- Correcciones a la altura del satélite. Ajuste crossover
Correcciones a la altura medida
Corrección
por efecto de la marea (cM ) (ver apartado 3.1). La atracción de la Luna y el Sol provocan las mareas
oceánicas que
hacen que haya aumentos y disminuciones cíclicas del nivel del
mar.
Corrección por efecto barométrico inverso (cP ) ( ver apartado 3.2) La presión que ejerce la atmósfera sobre la superficie del mar hace que haya un cambio en la altura del nivel del mar.
Retardo troposférico (cT). Debido a la densidad de la troposfera. La corrección de la componente seca se realiza con la utilización de modelos y de la componente húmeda a partir de mediciones de temperatura y presión del propio satélite.
Retardo ionosférico (cI) . Debido a la concentración de electrones libre en la ionosfera. Se minimiza el error con el uso de dos frecuencias diferentes emitidas por el satélite.
Sesgo electromagnético (cS). Cuando la onda electromagnética es reflejada por la superficie marina esta no esta plana. Las olas hacen que haya crestas y valles y el rebote de la señal es más intenso en estas últimas. Existe una formulación para corregir este efecto.
Otros (cO). Como los efectos provocados por la marea terrestre, el movimiento del polo o errores instrumentales.
La lluvia también afecta a la medida de la altura del satélite respecto a la superficie media oceánica. Como este efecto es difícilmente modelable, se suelen eliminar las medidas afectadas por la lluvia.
Correcciones a la altura del satélite. Error orbital radial.
El principal error en la medida de la altura de la superficie marina (SSH) es la imprecisión en el conocimiento de la órbita del satélite, lo que lleva a un error en la altura elipsoidal de éste (hs).
Los satélites altimétricos suelen tener órbitas polares de una altura aproximada de entre 500 y 1000 km. Cubren toda la tierra con un periodo de repetición (en cuanto tiempo vuelve a pasar por el mismo punto) que suele ser de varios días. El satélite va moviéndose de sur a norte y al revés. Este movimiento combinado con el de rotación terrestre hace que cada vez cubra una zona diferente.
La órbita se diseña de tal forma que al
proyectarla resulte una cuadrícula regular sobre la superficie
terrestre. Esta
cuadrícula varía según la altura del
satélite. Los periodos de repetición
largos dan un recubrimiento más denso que los cortos. Cada uno
de estos
periodos constituye un ciclo.
Se llaman arcos ascendentes los que se determinan con el movimiento del satélite de sur a norte y descendentes los que son de norte a sur. Cada revolución completa tiene un arco ascendente y uno descendente. Los puntos de cruce entre arcos ascendentes y descendentes se llaman puntos “crossover”.
Para eliminar el error orbital radial se suele
utilizar el llamado ajuste “crossover”. Lo hace aplicando diferencias
en las
medidas obtenidas en puntos “crossover” en diferente momento.
Imagen cortesía de AVISO (www.aviso.oceanobs.com)
|
Nombre |
País |
Lanz. |
Act. |
Alt (km) |
Misión |
|
GEOSAT |
USA |
1985 |
No |
800 |
Medición geoide marino |
|
SPOT (2 a 5) |
Francia |
2002 |
Si |
830 |
Observación terrestre |
|
ERS (1 a 2) |
Europa |
1995 |
Si |
800 |
Observación terrestre |
|
Topex/Poseidon |
USA/Francia |
1992 |
No |
1336 |
Medición de SSH |
|
GFO |
USA |
1998 |
Si |
880 |
Medición topografía marina |
|
JASON-1 |
USA/Francia |
2001 |
Si |
1336 |
Medición SSH |
|
ENVISAT |
Europa |
2002 |
Si |
800 |
Obser. sup. terrestre y atm. |
|
JASON 2 |
USA/Europa |
2008 |
No |
1336 |
Medición SSH |
|
CRYOSAT |
Europa |
2009 |
No |
720 |
Observación polar. |
|
SARAL |
India |
2009 |
No |
800 |
Observación oceánica |
BIBLIOGRAFÍA
Articulos y libros
1) AVISO (2005). DT CorSSH and DT SLA Product Handbook. span style="color: windowtext;">http://www.aviso.altimetry.fr/en/home.html
2) Elena, T. y García, M.J. (2002). Variabilidad Regional del Nivel Medio del Mar en la Zona del Estrecho de Gibraltar. 3 Asamblea Hispano Portuguesa de Geodesia Y Geofísica. Valencia
3) ESA-CNES. BASIC Radar Altimetry Toolbox v.1.0 User Manual. http://www.altimetry.info/html/data/toolbox_en.html
4) Martín, A, Padín J., García, F. (2000) Apuntes de Geodesia Física. Ed. Universidad Politecnica de Valencia.
5) Pugh, D. (1996). Tides, Surges and Mean Sea Level (libro). Ed. John Wiley and Sons
6) Rodríguez, G. (2005) Técnicas Altimétricas (apuntes). Facultad de Matematicas de la Universidad Complutense de Madrid
7) Sideris M.G. and Fotopoulus (2006), G. Mean Sea Level, Satellite Altimetry and Global Vertical Datum Realization (poster). Workshop on Understanding Sea Level Rise and Variability, Paris 2006
8) UNESCO (2006) Manual on Sea Level Measurement and Interpretation. http://www.psmsl.org/train_and_info/training/manuals/ioc_14i.pdf
Páginas web
Sobre mareografos.
http://http://www.psmsl.org//. Página del ‘Permanent Service for Mean Sea Level (PSML)’, En esta página se pueden obtener datos de mareógrafos y multitud de información.
Sobre altimetría por satélite.
http://www.aviso.altimetry.fr/en/home.html Imprescindible. Página de AVISO que contiene datos, información software, libros, etc.
http://www.altimetry.info Página con un tutorial sobre altimetría por satélite muy bueno. Se puede además descargar el programa BRAT.
