Mareógrafos - Acústicos, de presión y de flotación

Introducción a los mareógrafos y a los equipos de control del nivel del mar

Función principal de un mareógrafo

Un mareógrafo está diseñado fundamentalmente para captar el movimiento vertical continuo de la superficie del mar con respecto a un punto de referencia fijo y estable en tierra. Al convertir estos cambios físicos del nivel del agua en un registro electrónico preciso a lo largo del tiempo, los mareógrafos proporcionan los datos esenciales necesarios para modelizar los procesos oceanográficos, prever los ciclos de las mareas y seguir las tendencias seculares del cambio del nivel del mar. Estos sofisticados equipos mareográficos suelen transmitir sus datos de alta resolución en tiempo real a redes de vigilancia regionales o mundiales.

Papel esencial en la ciencia y la ingeniería costeras

Los datos de las mareas son una piedra angular de la ciencia costera y oceánica moderna. En oceanografía, estas mediciones proporcionan una validación crucial para los sofisticados modelos de circulación oceánica y para las misiones de altimetría por satélite. En ingeniería costera, los conjuntos de datos a largo plazo sirven de base a proyectos de infraestructuras de gran valor, como el diseño de puertos y rompeolas, la planificación de dragados de mantenimiento y la implantación de sólidos sistemas de defensa contra inundaciones. Las mediciones de los mareógrafos proporcionan los registros continuos más largos de la variabilidad del nivel del mar disponibles en el mundo, lo que los hace indispensables para cuantificar el aumento del nivel del mar y evaluar los impactos climáticos regionales para organismos internacionales como el IPCC. Estas estaciones constituyen la espina dorsal operativa del sistema de vigilancia de las mareas necesario para la seguridad marítima.

Principios de funcionamiento: De la altura relativa a los datos absolutos

Relación del nivel del agua con los datos geodésicos fijos

Todos los instrumentos mareográficos determinan la altura instantánea de la superficie del mar en relación con un punto de referencia geodésico fijo en la tierra adyacente. Esta práctica crucial garantiza que los cambios medidos en el nivel del mar reflejen los verdaderos efectos oceánicos y meteorológicos, aislándolos de cualquier movimiento terrestre localizado. A continuación, el nivel del agua medido se refiere a puntos de referencia verticales estándar. Estos incluyen el Nivel Medio del Mar (MSL), que representa la altura media de la superficie del mar, y el Dátum de Carta (CD), que sirve como plano de referencia para todas las profundidades mostradas en las cartas náuticas. El Datum de Carta se define frecuentemente por la Marea Astronómica Más Baja (LAT), que es el nivel más bajo predecible en condiciones meteorológicas normales. La comprensión y aplicación coherente de estos datums es primordial para la seguridad de la navegación, la coherencia de las cartas hidrográficas y el rigor de los análisis oceanográficos.

Adquisición de datos y muestreo de alta frecuencia

Los sensores de mareógrafos modernos adquieren datos a intervalos diseñados para satisfacer requisitos de aplicación específicos. Para estudios oceanográficos operativos, el muestreo puede realizarse cada pocos minutos. Sin embargo, en aplicaciones centradas en fenómenos de aparición rápida, como un sistema de vigilancia de tsunamis o de previsión de mareas tormentosas, es esencial disponer de datos de mayor frecuencia. Los medidores aptos para tsunamis suelen proporcionar datos de alta resolución a intervalos de 10 o 15 segundos, y algunos sistemas registran internamente a 1 Hz para realizar análisis muy detallados del ruido de las olas y los efectos sísmicos. Los registradores de datos incorporan algoritmos de filtrado para amortiguar eficazmente el ruido de las olas de corto período, conservando al mismo tiempo las señales cruciales de las mareas y el oleaje.

Principales tipos de mareógrafos y tecnologías de detección

La selección de un instrumento de medición de mareas depende en gran medida del entorno de despliegue, la precisión de los datos requerida y la infraestructura disponible. A continuación se indican los tipos más comunes de mareógrafos que se utilizan actualmente en todo el mundo.

1. 1. Mareógrafos tradicionales de boya y de pozo muerto

El mareógrafo flotante es el método clásico de control del nivel del mar y funciona dentro de un pozo amortiguador vertical protegido que conecta con el mar a través de una estrecha entrada. El flotador transmite su movimiento vertical a través de un cable, una polea o un codificador a un registrador mecánico o digital. El pozo amortiguador es esencial, ya que amortigua eficazmente la acción de las olas de alta frecuencia, aislando la señal de marea de baja frecuencia. A pesar de su robustez y de su importancia histórica, requieren un mantenimiento mecánico riguroso, especialmente en zonas propensas a la suciedad o a la bioincrustación. Con un mantenimiento adecuado, estos instrumentos mantienen una gran precisión, normalmente de +/-1 mm.

2. Mareógrafos sumergibles de presión

Los mareógrafos de presión utilizan un transductor de presión sumergible para medir la presión hidrostática total ejercida por la columna de agua por encima del sensor. Esta presión se convierte entonces en un nivel de agua equivalente.

La conversión se basa en la relación fundamental profundidad-presión, lo que significa que se necesitan datos precisos sobre la densidad del agua. Por ello, los sistemas modernos de mareógrafos de presión suelen integrar un termistor y un sensor de conductividad para proporcionar datos de temperatura y salinidad en tiempo real, lo que permite compensar automáticamente las variaciones de densidad. El despliegue suele realizarse mediante sistemas ventilados, que utilizan un tubo de referencia para compensar automáticamente los cambios de presión atmosférica, o sistemas no ventilados (absolutos ), que están sellados para despliegues profundos o remotos pero requieren datos de presión barométrica separados y postprocesados.

3. Mareógrafos acústicos

Los mareógrafos acústicos funcionan según el principio de medición acústica del tiempo de vuelo. Se emite un impulso ultrasónico hacia abajo desde un transductor montado sobre la superficie del agua. El sistema mide el tiempo que tarda el impulso en reflejarse en la superficie del agua y regresar, convirtiendo este tiempo en una medida de distancia. Una de las principales ventajas de los mareógrafos costeros es que miden sin contacto, lo que reduce drásticamente los problemas de corrosión y crecimiento marino.2 Sin embargo, dependen de la medición precisa de la velocidad local del sonido en el aire, lo que significa que las variaciones de temperatura y humedad deben calibrarse, ya sea automáticamente mediante sensores a bordo o mediante comprobaciones periódicas.

4. Mareógrafos de radar sin contacto

Los mareógrafos de radar determinan el nivel del agua transmitiendo un impulso de microondas hacia la superficie del mar y midiendo el tiempo de retorno. Esta tecnología sin contacto es muy fiable, ya que no se ve afectada por los cambios de densidad de la columna de agua, la salinidad, la niebla o las interferencias acústicas. Debido a sus mínimas necesidades de mantenimiento y a su robusto rendimiento, los sistemas de radar son ahora la opción preferida para la vigilancia operativa de las mareas, especialmente en entornos portuarios de gran actividad. Los mareógrafos radar de última generación son conocidos por su precisión, alcanzando una exactitud de +/-1 cm o superior.

5. Mareógrafos basados en GNSS: Nivel del mar absoluto

Los mareógrafos basados en GNSS aprovechan la tecnología de posicionamiento por satélite, utilizando un receptor GPS o multiconstelación de funcionamiento continuo montado cerca de la costa para medir la altura de la superficie del mar en relación con el elipsoide de referencia de la Tierra. Estos sistemas proporcionan información directa y absoluta sobre el nivel del mar, compatible con los datos altimétricos mundiales obtenidos por satélite.

Y lo que es más importante, cuando se combinan con un mareógrafo de referencia, los datos del GNSS proporcionan la velocidad geocéntrica a largo plazo del movimiento vertical de la tierra (VLM). Esta tasa de VLM se determina normalmente a partir de las series temporales a largo plazo del GNSS y se aplica después como corrección de postprocesado al registro relativo del mareógrafo. Esto permite a los investigadores aislar la verdadera tendencia absoluta del nivel del mar de los efectos locales de elevación o subsidencia tectónica, lo que hace que estos sistemas sean muy valiosos para la investigación rigurosa del clima mundial.

Diseño medioambiental y capacidad de supervivencia

Dada la dureza del entorno marino, el diseño de equipos mareográficos fiables exige una selección de materiales excepcional. Los componentes expuestos al agua de mar deben utilizar materiales como el titanio o el acero inoxidable de calidad marina (316L) para garantizar la resistencia a la corrosión. Los recubrimientos antiincrustantes, los protectores de aleación de cobre y los limpiadores mecánicos son estrategias habituales para garantizar la integridad de los datos a largo plazo. Además, los sistemas deben diseñarse para sobrevivir, tanto si se enfrentan a la carga de hielo y la congelación en regiones polares como si requieren un montaje robusto y protección contra sobretensiones para funcionar durante tormentas ciclónicas en costas de alta energía.

Aplicaciones críticas de los sistemas de control de mareas

Estudios hidrográficos y de ingeniería costera

Los datos de mareas precisos y en tiempo real son esenciales para la reducción de profundidad en los levantamientos hidrográficos, lo que garantiza que todos los datos batimétricos se normalicen a un datum vertical coherente para la cartografía. Los ingenieros costeros utilizan las mediciones de los mareógrafos para controlar con precisión las elevaciones de las infraestructuras críticas, incluidas las defensas contra inundaciones, los proyectos de regeneración de playas y las especificaciones de diseño de las infraestructuras portuarias.

Operaciones portuarias y gestión de dragados

Los sistemas integrados de control de mareas permiten a las autoridades portuarias maximizar las ventanas operativas. La información sobre mareas y niveles de agua en tiempo real se utiliza para programar los movimientos de buques de gran calado, gestionar el tránsito seguro dentro de los canales de navegación y optimizar las tolerancias de dragado, proporcionando un apoyo automatizado a la toma de decisiones para mantener la máxima seguridad y eficiencia. A menudo se utiliza un mareógrafo portátil para el control a corto plazo en zonas temporales de construcción o dragado.

Sistemas de alerta de tsunamis y mareas tormentosas

Los mareógrafos costeros de alta resolución son componentes indispensables de las infraestructuras de alerta regionales y mundiales. Detectan las rápidas variaciones no mareales del nivel del mar características de un tsunami o de una fuerte marejada ciclónica. Los mareógrafos basados en la presión oceánica profunda (sistemas DART) complementan estos instrumentos costeros, proporcionando una confirmación más temprana de la propagación de las olas y de las condiciones de la marejada para garantizar alertas públicas oportunas y eficaces.

Investigación climática a largo plazo y tendencias absolutas del nivel del mar

Los registros históricos de los mareógrafos mundiales, algunos de los cuales abarcan más de 150 años, son un recurso fundamental para la climatología. Estos conjuntos de datos a largo plazo se utilizan para detectar las tendencias seculares a largo plazo del nivel del mar, calibrar los registros altimétricos por satélite más breves y comprender las variaciones regionales provocadas por factores como la variabilidad de la circulación oceánica o el ajuste isostático glaciar.

Ingeniería marítima y vigilancia de las energías renovables

Los mareógrafos proporcionan los datos de referencia esenciales para validar los modelos hidrodinámicos y de corrientes de marea en los proyectos energéticos marinos, como las plataformas petrolíferas y de gas, los parques eólicos marinos y los sistemas de energía mareomotriz. Se utilizan para garantizar que las plataformas y la infraestructura submarina están diseñadas para soportar las condiciones variables del mar y para correlacionar con precisión el nivel del agua con la velocidad del flujo para obtener un rendimiento energético óptimo en las instalaciones de energía mareomotriz.