XIII. INSTRUMENTOS Y M�TODOS DE INVESTIGACI�N EN OCEANOGRAF�A F�SICA
LA OCEANOGRAF�A F�SICA, omo ciencia experimental, basa su m�todo
en la obtenci�n de la informaci�n directamente del oc�ano. A causa de la movilidad
de la superficie del mar por la que deriva el buque oceanogr�fico, de la gran
distancia a que a menudo se encuentran los elementos para la toma de muestras
y a las propiedades f�sicas particulares del agua de mar, la labor del ocean�grafo
es extremadamente dif�cil, y la preparaci�n de instrumentos de medida o registro
plantea arduas tareas a los t�cnicos.
El oc�ano es un sistema din�mico en donde los fen�menos f�sicos, qu�micos y biol�gicos se llevan a cabo con ritmo sumamente acelerado, adem�s se producen escalas de muy diferente magnitud. Algunos se presentan a lo largo de miles de kil�metros, como por ejemplo el desplazamiento de las grandes corrientes oce�nicas, mientras otros se efect�an a escala molecular, como los de difusi�n.
Estas caracter�sticas tan especiales que presenta el estudio del mar, hacen que en la actualidad, adem�s 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 aplicaci�n en el laboratorio.
Todos los instrumentos que se utilizan en oceanograf�a f�sica han sido dise�ados para satisfacer la condici�n de ser precisos y responder, a la vez, a la necesidad de soportar el trato arduo, ser mec�nicamente seguros y sencillos y prestarse para trabajar a grandes profundidades.
La obtenci�n de muestras en oceanograf�a f�sica se realiza teniendo en cuenta que el barco dispone de un cabrestante o güinche capaz de bajar los aparatos a grandes profundidades; el ocean�grafo f�sico registra, entre otros factores, la temperatura y recolecta muestras de agua a profundidaes fijas. Despu�s de detener el barco, que se mantiene inm�vil en lo posible mediante h�lices auxiliares, se hacen descender los instrumentos en grupos de manera que el primero que entr� al agua se encuentre a la profundidad m�xima compatible con el fondo, mientras otro grupo de instrumentos explora la capa inmediatamente superior, y as� 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 term�metros son los aparatos m�s antiguos usados por los ocean�grafos de todos los pa�ses. La primera botella fue construida por Hooke en 1667.
Entre estas botellas se encuentra la botella de inversi�n, ideada en 1912 por el ocean�grafo Fsidjot Nansen. Est� formada por un tubo met�lico en cuyos extremos se hallan dos v�lvulas exteriores de paso que se mantienen abiertas durante su descenso. Mediante la ca�da de un peso llamado mensajero, enviado desde la superficie que corre sobre el cable de sost�n de la botella, se provoca el cierre de las v�lvulas atrapando una muestra de agua de uno o dos litros, a fin de determinar su salinidad y contenido de ox�geno. El mensajero queda libre en el cable para deslizarse por �l y hacer invertir a las siguientes botellas hasta llegar a la mayor profundidad.
Esta botella est� provista de 2 tubos portaterm�metros en donde se colocan los term�metros de inversi�n, que fueron dise�ados 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 precisi�n hasta de 0.01°C. Estos term�metros operan de tal manera que s�lo pueden registrar la temperatura en el momento en que la botella se voltea. En la misma botella se coloca un term�metro 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 fen�menos, el de inversi�n y el auxiliar, ocupan el interior de un tubo de vidrio grueso cerrado, lo que hace al dispositivo insensible a la presi�n de inmersi�n por lo que se les llama term�metros de inversi�n protegidos; tambi�n existen los no protegidos expuestos a la presi�n y cuyo protector est� 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 an�lisis posteriores.
En los oc�anos la temperatura presenta variaciones sobre todo en sus capas
superficiales, por lo que los ocean�grafos f�sicos han construido aparatos para
registrar las variaciones en puntos localizados muy pr�ximos de estas capas
superficiales. Estos aparatos se llaman batiterm�grafos. Con estos registros
trazan gr�ficas que permiten conocer las variaciones de la temperatura a profundidades
moderadas.
Los batiterm�metros tienen la ventaja de funcionar, mientras el barco est� navegando hasta a velocidades de 18 nudos, pero la m�s recomendable es la de 12 nudos; se les lanza desde el barco sujetos a un cable de alambre mediante un güinche para ese prop�sito, y esta operaci�n es r�pida y relativamente f�cil. El aparato penetra verticalmente en el agua, a pesar de la velocidad del barco, y registra directamente la temperatura en relaci�n con la profundidad hasta los 300 metros. Su precisi�n no es muy elevada, pues no va m�s all� de un d�cimo de grado, pudiendo registrar temperaturas entre menos 2°C y 32°C.
Otra caracter�stica del agua marina que interesa a los ocean�grafos f�sicos es la transparencia o penetraci�n de radiaciones luminosas, y para medirla utilizan el disco de Secchi, disco de metal o de madera de color blanco, de 30 cent�metros de di�metro, que se sujeta con un cable graduado que permite medir a qu� profundidad deja de observarse el disco, lo que nos indica la penetraci�n de las radiaciones luminosas.
Despu�s de la segunda Guerra Mundial, gracias a la electr�nica y al empleo de los fotomultiplicadores, se han construido aparatos y dispositivos que registran la transparencia en el seno mismo de las aguas oce�nicas. Los fluor�metros o espectrofot�metros han permitido grandes progresos.
Actualmente se efect�an con estos aparatos estudios para determinar la polarizaci�n 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 fracci�n es m�nima en las direcciones normales a la direcci�n aparente del Sol. El factor de polarizaci�n es muy variable, seg�n las diversas aguas estudiadas, y su valor depende de la naturaleza y de la cantidad de las part�culas s�lidas en suspensi�n.
La propagaci�n del sonido en el agua del mar es otro de los factores f�sicos que se estudian en oceanograf�a, en su rama llamada ac�stica submarina.
Esta propiedad del agua del mar fue conocida desde los tiempos remotos y Leonardo da Vinci (1452-1519) sab�a que el agua es un buen conductor del sonido. Registr� el hecho de que las embarcaciones pod�an 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 o�do. Se piensa que el rumor que o�a era el chapoteo de los remos de las galeras.
Para enviar se�ales entre sus botes, los pescadores de Ceil�n, 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 o�do contra el casco del bote.
En 1826, V. D. Colladon y F. K. Sturm realizaron la primera medici�n 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 golpe�ndola con un martillo para que emitiera ondas. El destello producido por la combusti�n de una carga de p�lvora al mismo tiempo de golpear la campana, indicaba el instante del origen del sonido. El detector consist�a de una gran trompeta con un extremo sumergido. Ello permiti� registrar el sonido a distancias hasta de 12 800 metros en aguas con profundidad media de 128 metros.
En 1841, Colladon repiti� el experimento usando una campana mucho m�s pesada, y logr� percibir sonidos a distancias de 32 000 metros, lo que indicaba que el uso de aparatos adecuados posibilitar�a lograr alcances de varios centenares de kil�metros. Esto le permiti� reconocer y destacar claramente la posibilidad del uso pr�ctico del registro del sonido en la se�alizaci�n submarina.
En aquella �poca, varios investigadores brit�nicos y alemanes llevaron a cabo estudios sobre el sonido submarino, pero ninguno desarroll� aparatos aptos de uso preciso y pr�ctico. Ya por el a�o de 1898 fue evidente que la se�alizaci�n submarina era factible, pero no lleg� a perfeccionarse el instrumental que la har�a comercialmente accesible.
En ese mismo a�o, A. J. Munday y E. Gray, junto con J. B. Millet, con el objeto de formar una campana submarina de se�alamiento crearon un sistema adaptable al uso comercial consistente en que los sonidos producidos por una campana sumergida podr�an o�rse a considerables distancias utilizando un micr�fono dentro del agua, suspendido desde un buque que se quedar�a al garete y en mar tranquilo para evitar que registrara los ruidos de sus motores. Posteriormente, Gray instal� un micr�fono en una armadura pisciforme y logr� resultados satisfactorios, remolc�ndola detr�s de la embarcaci�n en movimiento.
La siguiente mejora fue introducida por Gray y Munday en 1902, y consisti� en colocar los micr�fonos en tanques llenos de agua, construidos en el interior del casco, debajo de la l�nea de flotaci�n, de modo que el casco formara una de las paredes del tanque. Cuando los tanques se emplazaron en ambos lados del casco, result� posible determinar el lugar aproximado de la fuente de origen del sonido.
Campanas submarinas de dise�o especial fueron construidas para el uso de los buques-faros, y la primera qued� instalada en el buque-faro n�mero 54 en el puerto de Boston en 1903. El servicio aportado por esta campana cuando se navegaba con malas condiciones de visibilidad result� de ayuda tan valiosa que a los pocos a�os 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 emisi�n de se�ales en c�digo Morse.
Sin embargo, en 1912 R. A. Fessenden invent� un oscilador electrodin�mico que aument� sensiblemente el alcance de la se�alaci�n submarina, permitiendo la r�pida transmisi�n de se�ales en c�digo Morse.
Hasta la segunda Guerra Mundial no se descubri� que el sonido puede llegar muy lejos propag�ndose en sentido horizontal. Cuando se dot� a los destructores y cazasubmarinos estadounidenses con aparatos especialmente dise�ados para la detecci�n de ruido de los motores de los submarinos enemigos, se observ� que muchas veces volv�a 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 fen�meno 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 fr�a. Donde capas calientes y fr�as se hallan superpuestas, los sonidos procedentes de las fr�as no penetran en las calientes, sino que son reflejados por el plano divisorio.
As� se explicaba la repentina desaparici�n de los submarinos: pasaban de las capas calientes a otras donde el agua estaba m�s fr�a e imped�a la propagaci�n del sonido.
En principio los investigadores calculaban la velocidad de propagaci�n del sonido en el agua oce�nica a partir de la salinidad y la temperatura, pero desde hace unos 80 a�os se dise�aron aparatos llamados ecosondas y sonares, que permiten estudiar las caracter�sticas del oc�ano usando los m�todos ac�sticos. En estos aparatos se registra la energ�a del sonido en un papel donde se hace una gr�fica, una vez que el sonido regres� y fue registrado despu�s de "chocar".
Los adelantos de los conocimientos sobre la propagaci�n del sonido en el oc�ano se han aplicado para estudiar las profundidades oce�nicas utilizando las ondas ecoicas, seguidas poco despu�s por las ultrasonoras que revolucionaron a fondo la t�cnica del ecosondeo.
Existen actualmente ecosondas como la JFV-l00, que est� unida a un microprocesador el cual le permite manejar un mayor n�mero de datos y obtener m�s claridad en sus gr�ficas. Esta unidad cuenta con velocidad de sonido ultrafuerte, y puede detectar peces delgados y card�menes peque�os que se encuentran en acci�n, expandiendo su eco en una pantalla a color de 10 pulgadas.
Otro adelanto es la creaci�n de la ecosonda con video, como la Furuno FCV-201, que da una gran definici�n del piso del oc�ano y una visi�n aumentada de la vida de los peces, grabando sus datos en un cassette de video.
Tambi�n han evolucionado los sonares, y hoy existen los que trabajan a color, como el Skipper S1 13 considerado el m�s peque�o con ideas grandes, el cual maneja los datos de un sonar y los de navegaci�n al mismo tiempo en la pantalla, como ser�an los del rango, inclinaci�n, distancia, profundidad, situaci�n del cardumen, temperatura del agua del mar, velocidad, etc�tera. Cuenta con 8 colores en una imagen fija y brinda finos detalles en una pantalla de pulgadas. Realiza la localizaci�n horizontal y vertical del objeto en forma autom�tica, pudiendo aparecer los datos en ingl�s, espa�ol, franc�s o noruego.
Para determinar los movimientos que suceden en el mar se han dise�ado instrumentos destinados a medir la velocidad y direcci�n de las corrientes marinas, denominadas corrent�metros o corrent�grafos, con los que se pueden registrar las caracter�sticas de la corrientes de manera instant�nea. Los primeros corrent�grafos fueron construidos hace mucho tiempo y actualmente existen 3 tipos: los mec�nicos, los electromagn�ticos y los de deriva.
Los mec�nicos, creados por el noruego Ekman, gozan a�n del aprecio de los ocean�grafos, y se basan en la rotaci�n de una h�lice, la inclinaci�n de un p�ndulo y la resistencia al avance de un disco. Estos mecanismos est�n calibrados para medir la velocidad de la corriente con base en la posici�n relativa de una veleta, que orienta el instrumento respecto de un comp�s magn�tico para determinar la direcci�n de la corriente. En la actualidad este dispositivo ha sido reemplazado por el llamado roto de savonius, que permite hacer registros m�s precisos de la direcci�n y velocidad de las corrientes.
Otros investigadores prefieren utilizar la electr�nica para estudiar a las corrientes y emplean cintas magn�ticas, permitiendo la transmisi�n de datos por un cable a una boya que remata en el corrent�grafo, donde los resultados de las mediciones pueden archivarse en una memoria o enviarse directamente por radio a tierra; tambi�n pueden utilizarse en este trabajo los sat�lites.
Los corrent�metros 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 pl�stica, sin embargo, contin�a el problema de la localizaci�n, debido a que en alta mar, donde ni aparatos �pticos, como los teodolitos, ni radar pueden usarse, resulta muy dif�cil determinar con precisi�n la posici�n del barco y, por consiguiente, el punto exacto donde se efect�a la medici�n de la corriente.
Por medio de la electr�nica se ha tratado de resolver el problema de la localizaci�n de las embarcaciones en el oc�ano, cre�ndose varios sistemas, como el Loran, que emplean el mismo principio. Estos sistemas utilizan estaciones en tierra que emiten continuamente datos del punto donde est�n situadas y el barco, por su parte, est� equipado con un receptor que determina autom�ticamente la posici�n de las estaciones con respecto a donde se encuentra operando, con lo que se llega a obtener la posici�n de un barco en altamar con una exactitud de algunas docenas de metros.
Tambi�n en los �ltimos a�os ya se cuenta con el llamado navegador por sat�lite, que es un aparato conectado a un sat�lite artificial que le permite navegar utilizando el piloto autom�tico con un error que no pasa de los 10 metros en 24 horas.
Uno de los �ltimos dise�os de este navegador por sat�lite, el FSN-70 de la planta Furuno, tiene una memoria que le permite manejar m�s de 300 situaciones diferentes. Con estos datos en el barco se pueden registrar las distintas �reas de pesca y se podr� regresar a ellas con gran exactitud.
En un puerto sovi�tico del Mar Negro entr� en funcionamiento en 1985 una estaci�n de comunicaciones mar�timas v�a sat�lite, pudiendo los barcos intercambiar informaci�n en cuesti�n de segundos con su puerto.
Este m�todo permite evitar la zona del espacio circumterrestre, saturada con las ondas de radio, y crear canales estables de comunicaci�n sin interferencias para emplearlos en las l�neas costa-sat�lite-barco y viceversa.
El corrent�metro electromagn�tico basa su funcionamiento en la medici�n de la fuerza electromotriz producida en la masa de agua, cuando una corriente marina atraviesa el campo magn�tico del planeta, cuyo valor es de un milivoltio por nudo de corriente. Es un instrumento reciente que permite determinar las caracter�sticas de las corrientes superficiales. La ventaja de este aparato es que puede funcionar con el barco navegando y su �nico inconveniente es que se limita a la capa superficial; se le llam� GEK iniciales de "geoelectrocinet�grafo", en ingl�s, siendo su inventor el ocean�grafo norteamericano W.Von Arx en 1950.
Los corrent�metros 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 paraca�das es un paraca�das com�n suspendido de una boya por un alambre lastrado. Se abre f�cilmente al ser lanzado y se mantiene as� impulsado por la corriente.
El flotador neutro de Swallow es un tubo de aluminio de 9 cent�metros de di�metro 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 hidr�fonos.
Tambi�n se puede considerar como de deriva a las "boyas de flotabilidad neutra", dispositivo de aluminio que, con una gravedad espec�fica 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 env�a al barco.
Las mareas son medidas con instrumentos llamados mare�grafos que registran el ascenso y el descenso de la superficie del mar. El tipo m�s com�n consiste en un flotador que sigue los cambios de nivel de la superficie del mar. Otros, m�s complicados, pueden medir las variaciones de presi�n, al estar dotados de un bar�metro que se sumerge a cierta profundidad y que registra las mareas distingui�ndolas del oleaje.
Para registrar el oleaje existen los ole�grafos, con gran variedad de modelos, todos ellos utilizables en las proximidades del litoral. El m�s sencillo consiste en sumergir cerca del litoral, a profundidades de 7 u 8 metros, una p�rtiga graduada que descanse sobre una plataforma colocada en el fondo y que rebase el nivel del mar en una altura superior a la amplitud m�xima de la ola. La observaci�n se har� desde tierra.
Existen aparatos que permiten medir olas solitarias debidas a movimientos s�smicos o a las erupciones volc�nicas, llamadas tsunamis; poseen filtros que eliminan las variaciones de nivel de periodo breve u oleaje y de periodo medio o mareas, registrando s�lo a los tsunamis cuyos per�odos 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 dise�o de los aparatos para la investigaci�n en Oceanograf�a f�sica se encuentra en la actualidad condicionado a lograr que �stos sean capaces de producir la mayor informaci�n por unidad de tiempo y con m�s precisi�n. Esta informaci�n se obtiene cada d�a en grandes cantidades, resultando imposible manejarla con m�todos manuales, por lo que se ha incorporado a la investigaci�n marina el uso de ordenadores a bordo de las embarcaciones para hacer posible el tratamiento matem�tico de los datos.
Los barcos oceanogr�ficos modernos cuentan con estos ordenadores que son de dos tipos diferentes: el digital �nicamente tiene la funci�n de procesar los datos, produciendo listados, gr�ficas, modelos matem�ticos, etc�tera. El otro tipo de ordenador es aquel que tambi�n 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 par�metros f�sicos, qu�micos y biol�gicos.
El manejo de la informaci�n oceanogr�fica se hace cada d�a m�s complicado, por lo que los pa�ses y las organizaciones internacionales han creado los centros de datos con el fin de facilitar dicho manejo.
La Comisi�n Oceanogr�fica Intergubernamental de la UNESCO, ha publicado una gu�a de servicio internacional de datos sobre el ambiente marino, en donde se registran el Sistema de Informaci�n sobre Ciencias Acu�ticas y Pesquer�as, creado en 1959, perteneciente a la Organizaci�n de las Naciones Unidas para la Agricultura y la Alimentaci�n, FAO; el Servicio de Datos e Informaci�n de la Agencia Internacional de Energ�a At�mica, IAEA; el Servicio de Hidrograf�a del Consejo Internacional para la Exploraci�n del Mar, ICES; el Servicio de Datos de la Organizaci�n Internacional de Hidrograf�a, y el Centro Mundial de Datos Oceanogr�ficos de la propia Comisi�n que pertenece a la UNESCO, entre otras.
Para lograr que las mediciones que se utilizan en el mar sean de provecho para un mayor n�mero de investigadores, son necesarios la estandarizaci�n de los m�todos, de las definiciones y de las unidades de medida, as� como la calibraci�n uniforme de los aparatos.
El progreso en el dise�o y construcci�n de los diversos instrumentos que utiliza el ocean�grafo f�sico para revelar los misterios oce�nicos no se interrumpe y se tiende cada vez m�s hacia la automatizaci�n y hacia la transmisi�n directa de las informaciones, con el fin de liberarse de la dependencia de cables met�licos que hacen dif�ciles y lentas las maniobras y operaciones, y de sustituirlos por la electr�nica. El futuro arsenal oceanogr�fico cada vez estar� m�s automatizado y el hombre intervendr� con su esp�ritu creador preocup�ndose de que, al finalizar cada campa�a oceanogr�fica, la informaci�n obtenida se encuentre elaborada en principio, para publicarla inmediatamente y as� lograr difundir los resultados para que sean aprovechados por otros investigadores.
