XIII. INSTRUMENTOS Y MÉTODOS DE INVESTIGACIÓN EN OCEANOGRAFÍA FÍSICA
LA OCEANOGRAFÍA FÍSICA, omo ciencia experimental, basa su método
en la obtención de la información directamente del océano. A causa de la movilidad
de la superficie del mar por la que deriva el buque oceanográfico, de la gran
distancia a que a menudo se encuentran los elementos para la toma de muestras
y a las propiedades físicas particulares del agua de mar, la labor del oceanógrafo
es extremadamente difícil, y la preparación de instrumentos de medida o registro
plantea arduas tareas a los técnicos.
El océano es un sistema dinámico en donde los fenómenos físicos, químicos y biológicos se llevan a cabo con ritmo sumamente acelerado, además se producen escalas de muy diferente magnitud. Algunos se presentan a lo largo de miles de kilómetros, como por ejemplo el desplazamiento de las grandes corrientes oceánicas, mientras otros se efectúan a escala molecular, como los de difusión.
Estas características tan especiales que presenta el estudio del mar, hacen que en la actualidad, además de contar con personal altamente capacitado, se necesite equipo adecuado para lograr los objetivos planteados.
Para ello se han desarrollado diversos aparatos que incluyen una gran variedad de modelos, algunos para su uso en el mar en tanto que otros son de aplicación en el laboratorio.
Todos los instrumentos que se utilizan en oceanografía física han sido diseñados para satisfacer la condición de ser precisos y responder, a la vez, a la necesidad de soportar el trato arduo, ser mecánicamente seguros y sencillos y prestarse para trabajar a grandes profundidades.
La obtención de muestras en oceanografía física se realiza teniendo en cuenta que el barco dispone de un cabrestante o güinche capaz de bajar los aparatos a grandes profundidades; el oceanógrafo físico registra, entre otros factores, la temperatura y recolecta muestras de agua a profundidaes fijas. Después de detener el barco, que se mantiene inmóvil en lo posible mediante hélices auxiliares, se hacen descender los instrumentos en grupos de manera que el primero que entró al agua se encuentre a la profundidad máxima compatible con el fondo, mientras otro grupo de instrumentos explora la capa inmediatamente superior, y así sucesivamente, hasta llegar a la superficie.
Entre estos instrumentos se encuentran las botellas para tomar muestras de agua, que han sido construidas de diversas formas y combinadas con los termómetros son los aparatos más antiguos usados por los oceanógrafos de todos los países. La primera botella fue construida por Hooke en 1667.
Entre estas botellas se encuentra la botella de inversión, ideada en 1912 por el oceanógrafo Fsidjot Nansen. Está formada por un tubo metálico en cuyos extremos se hallan dos válvulas exteriores de paso que se mantienen abiertas durante su descenso. Mediante la caída de un peso llamado mensajero, enviado desde la superficie que corre sobre el cable de sostén de la botella, se provoca el cierre de las válvulas atrapando una muestra de agua de uno o dos litros, a fin de determinar su salinidad y contenido de oxígeno. El mensajero queda libre en el cable para deslizarse por él y hacer invertir a las siguientes botellas hasta llegar a la mayor profundidad.
Esta botella está provista de 2 tubos portatermómetros en donde se colocan los termómetros de inversión, que fueron diseñados por la firma Negretti Zambra de Londres en 1874, y que han evolucionado hasta llegar a los que se manejan en la actualidad y que tienen una precisión hasta de 0.01°C. Estos termómetros operan de tal manera que sólo pueden registrar la temperatura en el momento en que la botella se voltea. En la misma botella se coloca un termómetro auxiliar que permite registrar la temperatura en el momento de hacer la lectura en el inventario, con el fin de hacer las correcciones necesarias, ya que la lectura se hace en la superficie del agua a una temperatura diferente a la que se encontraba en la profundidad.
Figura 26(a). Botella de tipo Nansen.
Los fenómenos, el de inversión y el auxiliar, ocupan el interior de un tubo de vidrio grueso cerrado, lo que hace al dispositivo insensible a la presión de inmersión por lo que se les llama termómetros de inversión protegidos; también existen los no protegidos expuestos a la presión y cuyo protector está abierto por uno de sus extremos que sirven para determinar la profundidad a que se hacen las observaciones.
Cuando los instrumentos son izados a bordo, las temperaturas se leen con gran cuidado utilizando una lente de aumento, mientras el agua de las botellas se recoge en frascos de vidrio, donde se guarda para los análisis posteriores.
En los océanos la temperatura presenta variaciones sobre todo en sus capas
superficiales, por lo que los oceanógrafos físicos han construido aparatos para
registrar las variaciones en puntos localizados muy próximos de estas capas
superficiales. Estos aparatos se llaman batitermógrafos. Con estos registros
trazan gráficas que permiten conocer las variaciones de la temperatura a profundidades
moderadas.
Los batitermómetros tienen la ventaja de funcionar, mientras el barco está navegando hasta a velocidades de 18 nudos, pero la más recomendable es la de 12 nudos; se les lanza desde el barco sujetos a un cable de alambre mediante un güinche para ese propósito, y esta operación es rápida y relativamente fácil. El aparato penetra verticalmente en el agua, a pesar de la velocidad del barco, y registra directamente la temperatura en relación con la profundidad hasta los 300 metros. Su precisión no es muy elevada, pues no va más allá de un décimo de grado, pudiendo registrar temperaturas entre menos 2°C y 32°C.
Otra característica del agua marina que interesa a los oceanógrafos físicos es la transparencia o penetración de radiaciones luminosas, y para medirla utilizan el disco de Secchi, disco de metal o de madera de color blanco, de 30 centímetros de diámetro, que se sujeta con un cable graduado que permite medir a qué profundidad deja de observarse el disco, lo que nos indica la penetración de las radiaciones luminosas.
Después de la segunda Guerra Mundial, gracias a la electrónica y al empleo de los fotomultiplicadores, se han construido aparatos y dispositivos que registran la transparencia en el seno mismo de las aguas oceánicas. Los fluorómetros o espectrofotómetros han permitido grandes progresos.
Actualmente se efectúan con estos aparatos estudios para determinar la polarización residual submarina de la luz diurna, es decir, la posibilidad que presenta el agua de modificar los rayos luminosos de tal manera que queden incapaces de refractarse o reflejarse de nuevo en ciertas direcciones. Una parte de la luz, en efecto, es polarizada por estas aguas del mar y esta fracción es mínima en las direcciones normales a la dirección aparente del Sol. El factor de polarización es muy variable, según las diversas aguas estudiadas, y su valor depende de la naturaleza y de la cantidad de las partículas sólidas en suspensión.
La propagación del sonido en el agua del mar es otro de los factores físicos que se estudian en oceanografía, en su rama llamada acústica submarina.
Esta propiedad del agua del mar fue conocida desde los tiempos remotos y Leonardo da Vinci (1452-1519) sabía que el agua es un buen conductor del sonido. Registró el hecho de que las embarcaciones podían escucharse "a gran distancia" mediante el uso de un tubo en forma de trompeta, sumergiendo un extremo del mismo en el agua y apoyando el otro en el oído. Se piensa que el rumor que oía era el chapoteo de los remos de las galeras.
Para enviar señales entre sus botes, los pescadores de Ceilán, desde hace mucho tiempo, producen un sonido agudo golpeando una olla porosa sumergida en el agua, el cual se escucha a considerables distancias apoyando el oído contra el casco del bote.
En 1826, V. D. Colladon y F. K. Sturm realizaron la primera medición de la velocidad del sonido en las aguas del lago de Ginebra. Utilizaron una campana de iglesia de 63 kilogramos, sumergida a 3 metros de profundidad golpeándola con un martillo para que emitiera ondas. El destello producido por la combustión de una carga de pólvora al mismo tiempo de golpear la campana, indicaba el instante del origen del sonido. El detector consistía de una gran trompeta con un extremo sumergido. Ello permitió registrar el sonido a distancias hasta de 12 800 metros en aguas con profundidad media de 128 metros.
En 1841, Colladon repitió el experimento usando una campana mucho más pesada, y logró percibir sonidos a distancias de 32 000 metros, lo que indicaba que el uso de aparatos adecuados posibilitaría lograr alcances de varios centenares de kilómetros. Esto le permitió reconocer y destacar claramente la posibilidad del uso práctico del registro del sonido en la señalización submarina.
En aquella época, varios investigadores británicos y alemanes llevaron a cabo estudios sobre el sonido submarino, pero ninguno desarrolló aparatos aptos de uso preciso y práctico. Ya por el año de 1898 fue evidente que la señalización submarina era factible, pero no llegó a perfeccionarse el instrumental que la haría comercialmente accesible.
En ese mismo año, A. J. Munday y E. Gray, junto con J. B. Millet, con el objeto de formar una campana submarina de señalamiento crearon un sistema adaptable al uso comercial consistente en que los sonidos producidos por una campana sumergida podrían oírse a considerables distancias utilizando un micrófono dentro del agua, suspendido desde un buque que se quedaría al garete y en mar tranquilo para evitar que registrara los ruidos de sus motores. Posteriormente, Gray instaló un micrófono en una armadura pisciforme y logró resultados satisfactorios, remolcándola detrás de la embarcación en movimiento.
La siguiente mejora fue introducida por Gray y Munday en 1902, y consistió en colocar los micrófonos en tanques llenos de agua, construidos en el interior del casco, debajo de la línea de flotación, de modo que el casco formara una de las paredes del tanque. Cuando los tanques se emplazaron en ambos lados del casco, resultó posible determinar el lugar aproximado de la fuente de origen del sonido.
Campanas submarinas de diseño especial fueron construidas para el uso de los buques-faros, y la primera quedó instalada en el buque-faro número 54 en el puerto de Boston en 1903. El servicio aportado por esta campana cuando se navegaba con malas condiciones de visibilidad resultó de ayuda tan valiosa que a los pocos años el sistema fue adoptado en muchos buques-faros importantes de los Estados Unidos y otras partes del mundo, con el inconveniente de que no era adecuado para la emisión de señales en código Morse.
Sin embargo, en 1912 R. A. Fessenden inventó un oscilador electrodinámico que aumentó sensiblemente el alcance de la señalación submarina, permitiendo la rápida transmisión de señales en código Morse.
Hasta la segunda Guerra Mundial no se descubrió que el sonido puede llegar muy lejos propagándose en sentido horizontal. Cuando se dotó a los destructores y cazasubmarinos estadounidenses con aparatos especialmente diseñados para la detección de ruido de los motores de los submarinos enemigos, se observó que muchas veces volvía a perderse la pista de un submarino oportunamente detectado, como si de pronto hubiese entrado en una "zona del silencio". Era inconcebible que el submarino hubiera descendido a una profundidad tal que el sonido se perdiese antes de llegar al aparato detector.
Los investigadores se interesaron por el fenómeno y descubrieron que en el mar existen capas horizontales de diferente conductibilidad sonora. Las capas calientes son mejores conductoras del sonido que las de agua fría. Donde capas calientes y frías se hallan superpuestas, los sonidos procedentes de las frías no penetran en las calientes, sino que son reflejados por el plano divisorio.
Así se explicaba la repentina desaparición de los submarinos: pasaban de las capas calientes a otras donde el agua estaba más fría e impedía la propagación del sonido.
En principio los investigadores calculaban la velocidad de propagación del sonido en el agua oceánica a partir de la salinidad y la temperatura, pero desde hace unos 80 años se diseñaron aparatos llamados ecosondas y sonares, que permiten estudiar las características del océano usando los métodos acústicos. En estos aparatos se registra la energía del sonido en un papel donde se hace una gráfica, una vez que el sonido regresó y fue registrado después de "chocar".
Los adelantos de los conocimientos sobre la propagación del sonido en el océano se han aplicado para estudiar las profundidades oceánicas utilizando las ondas ecoicas, seguidas poco después por las ultrasonoras que revolucionaron a fondo la técnica del ecosondeo.
Existen actualmente ecosondas como la JFV-l00, que está unida a un microprocesador el cual le permite manejar un mayor número de datos y obtener más claridad en sus gráficas. Esta unidad cuenta con velocidad de sonido ultrafuerte, y puede detectar peces delgados y cardúmenes pequeños que se encuentran en acción, expandiendo su eco en una pantalla a color de 10 pulgadas.
Otro adelanto es la creación de la ecosonda con video, como la Furuno FCV-201, que da una gran definición del piso del océano y una visión aumentada de la vida de los peces, grabando sus datos en un cassette de video.
También han evolucionado los sonares, y hoy existen los que trabajan a color, como el Skipper S1 13 considerado el más pequeño con ideas grandes, el cual maneja los datos de un sonar y los de navegación al mismo tiempo en la pantalla, como serían los del rango, inclinación, distancia, profundidad, situación del cardumen, temperatura del agua del mar, velocidad, etcétera. Cuenta con 8 colores en una imagen fija y brinda finos detalles en una pantalla de pulgadas. Realiza la localización horizontal y vertical del objeto en forma automática, pudiendo aparecer los datos en inglés, español, francés o noruego.
Para determinar los movimientos que suceden en el mar se han diseñado instrumentos destinados a medir la velocidad y dirección de las corrientes marinas, denominadas correntómetros o correntógrafos, con los que se pueden registrar las características de la corrientes de manera instantánea. Los primeros correntógrafos fueron construidos hace mucho tiempo y actualmente existen 3 tipos: los mecánicos, los electromagnéticos y los de deriva.
Los mecánicos, creados por el noruego Ekman, gozan aún del aprecio de los oceanógrafos, y se basan en la rotación de una hélice, la inclinación de un péndulo y la resistencia al avance de un disco. Estos mecanismos están calibrados para medir la velocidad de la corriente con base en la posición relativa de una veleta, que orienta el instrumento respecto de un compás magnético para determinar la dirección de la corriente. En la actualidad este dispositivo ha sido reemplazado por el llamado roto de savonius, que permite hacer registros más precisos de la dirección y velocidad de las corrientes.
Otros investigadores prefieren utilizar la electrónica para estudiar a las corrientes y emplean cintas magnéticas, permitiendo la transmisión de datos por un cable a una boya que remata en el correntógrafo, donde los resultados de las mediciones pueden archivarse en una memoria o enviarse directamente por radio a tierra; también pueden utilizarse en este trabajo los satélites.
Los correntómetros pueden operar con el barco fondeado, suspendidos a gran profundidad, fijos a un cable lastrado, o sobre una estructura apoyada en el fondo del mar. El fondeo de los barcos en zonas de gran profundidad se ha resuelto gracias al empleo de cables de materia plástica, sin embargo, continúa el problema de la localización, debido a que en alta mar, donde ni aparatos ópticos, como los teodolitos, ni radar pueden usarse, resulta muy difícil determinar con precisión la posición del barco y, por consiguiente, el punto exacto donde se efectúa la medición de la corriente.
Por medio de la electrónica se ha tratado de resolver el problema de la localización de las embarcaciones en el océano, creándose varios sistemas, como el Loran, que emplean el mismo principio. Estos sistemas utilizan estaciones en tierra que emiten continuamente datos del punto donde están situadas y el barco, por su parte, está equipado con un receptor que determina automáticamente la posición de las estaciones con respecto a donde se encuentra operando, con lo que se llega a obtener la posición de un barco en altamar con una exactitud de algunas docenas de metros.
También en los últimos años ya se cuenta con el llamado navegador por satélite, que es un aparato conectado a un satélite artificial que le permite navegar utilizando el piloto automático con un error que no pasa de los 10 metros en 24 horas.
Uno de los últimos diseños de este navegador por satélite, el FSN-70 de la planta Furuno, tiene una memoria que le permite manejar más de 300 situaciones diferentes. Con estos datos en el barco se pueden registrar las distintas áreas de pesca y se podrá regresar a ellas con gran exactitud.
En un puerto soviético del Mar Negro entró en funcionamiento en 1985 una estación de comunicaciones marítimas vía satélite, pudiendo los barcos intercambiar información en cuestión de segundos con su puerto.
Este método permite evitar la zona del espacio circumterrestre, saturada con las ondas de radio, y crear canales estables de comunicación sin interferencias para emplearlos en las líneas costa-satélite-barco y viceversa.
El correntómetro electromagnético basa su funcionamiento en la medición de la fuerza electromotriz producida en la masa de agua, cuando una corriente marina atraviesa el campo magnético del planeta, cuyo valor es de un milivoltio por nudo de corriente. Es un instrumento reciente que permite determinar las características de las corrientes superficiales. La ventaja de este aparato es que puede funcionar con el barco navegando y su único inconveniente es que se limita a la capa superficial; se le llamó GEK iniciales de "geoelectrocinetógrafo", en inglés, siendo su inventor el oceanógrafo norteamericano W.Von Arx en 1950.
Los correntómetros de deriva constan de flotadores lastrados que les permiten quedar a la deriva a una cierta profundidad y de los cuales se determina la trayectoria.
Por otro lado, existen diferentes tipos de flotadores. El de paracaídas es un paracaídas común suspendido de una boya por un alambre lastrado. Se abre fácilmente al ser lanzado y se mantiene así impulsado por la corriente.
El flotador neutro de Swallow es un tubo de aluminio de 9 centímetros de diámetro y de unos 2 metros de largo que contiene un equipo para emitir pulsos sonoros y que se lastra para que flote a la profundidad deseada. Un buque capta las emisiones sonoras del flotador mediante 2 hidrófonos.
También se puede considerar como de deriva a las "boyas de flotabilidad neutra", dispositivo de aluminio que, con una gravedad específica determinada, se arroja por el costado del barco y se hunde hasta que encuentra agua de su misma densidad, con lo que la boya se desplaza y sus movimientos se siguen por medio de impulsos sonoros recogidos por un transductor que lleva la boya, el cual, a su vez, los envía al barco.
Las mareas son medidas con instrumentos llamados mareógrafos que registran el ascenso y el descenso de la superficie del mar. El tipo más común consiste en un flotador que sigue los cambios de nivel de la superficie del mar. Otros, más complicados, pueden medir las variaciones de presión, al estar dotados de un barómetro que se sumerge a cierta profundidad y que registra las mareas distinguiéndolas del oleaje.
Para registrar el oleaje existen los oleógrafos, con gran variedad de modelos, todos ellos utilizables en las proximidades del litoral. El más sencillo consiste en sumergir cerca del litoral, a profundidades de 7 u 8 metros, una pértiga graduada que descanse sobre una plataforma colocada en el fondo y que rebase el nivel del mar en una altura superior a la amplitud máxima de la ola. La observación se hará desde tierra.
Existen aparatos que permiten medir olas solitarias debidas a movimientos sísmicos o a las erupciones volcánicas, llamadas tsunamis; poseen filtros que eliminan las variaciones de nivel de periodo breve u oleaje y de periodo medio o mareas, registrando sólo a los tsunamis cuyos períodos son muy largos.
En la actualidad, para estudiar el oleaje, se pueden hacer modelos en piletas artificiales, en donde se utilizan los batidores de oleaje y los aparatos de registro del eco que se produce por las olas.
El diseño de los aparatos para la investigación en Oceanografía física se encuentra en la actualidad condicionado a lograr que éstos sean capaces de producir la mayor información por unidad de tiempo y con más precisión. Esta información se obtiene cada día en grandes cantidades, resultando imposible manejarla con métodos manuales, por lo que se ha incorporado a la investigación marina el uso de ordenadores a bordo de las embarcaciones para hacer posible el tratamiento matemático de los datos.
Los barcos oceanográficos modernos cuentan con estos ordenadores que son de dos tipos diferentes: el digital únicamente tiene la función de procesar los datos, produciendo listados, gráficas, modelos matemáticos, etcétera. El otro tipo de ordenador es aquel que también interviene en la colecta de los datos, y que actualmente se encuentra en su etapa de desarrollo, con la finalidad de llegar a medir, de forma continua, distintos parámetros físicos, químicos y biológicos.
El manejo de la información oceanográfica se hace cada día más complicado, por lo que los países y las organizaciones internacionales han creado los centros de datos con el fin de facilitar dicho manejo.
La Comisión Oceanográfica Intergubernamental de la UNESCO, ha publicado una guía de servicio internacional de datos sobre el ambiente marino, en donde se registran el Sistema de Información sobre Ciencias Acuáticas y Pesquerías, creado en 1959, perteneciente a la Organización de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentación, FAO; el Servicio de Datos e Información de la Agencia Internacional de Energía Atómica, IAEA; el Servicio de Hidrografía del Consejo Internacional para la Exploración del Mar, ICES; el Servicio de Datos de la Organización Internacional de Hidrografía, y el Centro Mundial de Datos Oceanográficos de la propia Comisión que pertenece a la UNESCO, entre otras.
Para lograr que las mediciones que se utilizan en el mar sean de provecho para un mayor número de investigadores, son necesarios la estandarización de los métodos, de las definiciones y de las unidades de medida, así como la calibración uniforme de los aparatos.
El progreso en el diseño y construcción de los diversos instrumentos que utiliza el oceanógrafo físico para revelar los misterios oceánicos no se interrumpe y se tiende cada vez más hacia la automatización y hacia la transmisión directa de las informaciones, con el fin de liberarse de la dependencia de cables metálicos que hacen difíciles y lentas las maniobras y operaciones, y de sustituirlos por la electrónica. El futuro arsenal oceanográfico cada vez estará más automatizado y el hombre intervendrá con su espíritu creador preocupándose de que, al finalizar cada campaña oceanográfica, la información obtenida se encuentre elaborada en principio, para publicarla inmediatamente y así lograr difundir los resultados para que sean aprovechados por otros investigadores.
