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Instrumentación Oceanográfica (3 horas)
Los barcos, plataformas y boyas sirven para sostener la instrumentación y a las personas que operan
dicha instrumentación. Los instrumentos se utilizan para medir las propiedades del océano y del aire
sobre el océano. El entendimiento del océano ha progresado a través del refinamiento continuo y
comprensivo de teorías que buscan dar una explicación integral a las observaciones realizadas en el
océano.
Las teorías, al menos dentro de la oceanografía, son principalmente inductivas, es decir se realizan
generalizaciones a partir de conjuntos pequeños de observaciones. El progreso del entendimiento
avanza cuando las teorías se verifican una y otra vez o se hacen insostenibles ante un número mayor y
mejor de observaciones. El laboratorio de la Oceanografía es el océano, por lo que la realización de
experimentos controlados tiene poco paralelo con la experimentación en laboratorios creados exprofeso. Para entender al océano es necesario medir y conjuntar mediciones en una forma lógica.
Barcos oceanográficos.
El barco oceanográfico típico cuenta con cables, malacates y grúas para bajar los instrumentos, equipo
para rastrear el fondo y equipo para la navegación y comunicación. Los barcos menores a 30 metros de
eslora son utilizados frecuentemente para el trabajo costero. Tienen un rango limitado de operación y
generalmente trabajan en áreas poco tormentosas o en aguas protegidas. Su operación es relativamente
barata y tienen una considerable libertad de operación día a día. Los barcos de investigación oceánicos
generalmente miden entre 30 y 45 metros de eslora. Aunque algunos barcos son diseñados con un
propósito específico, un gran número de ellos tienen capacidad para realizar investigación en las
diferentes áreas de la oceanografía.
La Figura 1, muestra como ejemplo del equipo de cubierta de un barco oceanográfico al Buque
Oceanográfico Bélgica, perteneciente a MUMM (Unidad de Manejo de Modelos Matemáticos del Mar
del Norte del Real Instituto de Ciencias Naturales de Bélgica). Es un barco de propósitos
oceanográficos múltiples. Tiene 50.9 m de eslora, ancho (manga) de 10 m, peso bruto de 765 toneladas
y autonomía de 5000 MN a 12 nudos o 20 días. Opera con 15 tripulantes y tiene espacio para 16
investigadores.
Figura. 1.
1. Grúa portal o en A giratoria de 5.9 m de altura y 5 m de ancho. Cuenta con poleas para jalar las
redes de pesca o equipo de muestreo que se lanza por la parte trasera del barco. Tiene capacidad
de 2 × 6 toneladas en la parte central y 2 × 8 toneladas con los brazos extendidos.
2. Malacates para pesca. El primer malacate se usa para pesca, el cable tiene una longitud de 1200
m y 24 mm. de diámetro. El segundo malacate se usa para bajar equipo de medición o
estaciones de medición autónomas. El cable tiene longitud de 4000 m y diámetro de 14 mm.
Ambos malacates tienen tambores con cable de 350 m de longitud y 24 mm. de diámetro. Los
malacates tiene una fuerza de tensión de 6.4 toneladas y una velocidad de embobinado de 60 m
por segundo.
3. Malacate de red. Usado para soltar la red pesquera grande, con capacidad de 7 m3.
4. Malacate de red de exploración. Situado a un lado del malacate de red. Se utiliza para realizar
mediciones junto con la red.
5. Grúa hidráulica. Es de balanceo y telescópica, con un rango entre 2 y 11.8 m y fuerza de tensión
de 8 a 2 toneladas. Se utiliza para maniobras de carga y descarga de equipo.
6. Grúa hidráulica pequeña. Instalada sobre la cubierta lateral. Usada para realizar muestreos de
sedimento. Tiene una altura de 1.8 m, fuerza de tensión de 1 tonelada y alcance fuera de borda
de 2.5 m.
7. Pescante (Davit) de balanceo. Localizado sobre la cubierta lateral. Utilizado para poner equipo
de muestreo de hasta 500 kg, a 2.5 m fuera de borda.
8. Dos malacates hidrológicos. Ambos instalados en la cubierta superior. El primero con cable de
acero inoxidable de 1000 m. El segundo con dos tambores con cable de acero de 300 m de
longitud y con cable de acero inoxidable de 1600 m de longitud. Ambos cable con cable
eléctrico en el centro. Este malacate utiliza al pescante. El tambor con los 1600 m de cable
posee trasmisión de contacto para tener conexión con el equipo lanzado mientras el instrumento
sube o baja.
9. . Mástil extendido. Se puede utilizar para tomar muestras del aire a 4.5 m de la proa del barco.
10. El B.O. Bélgica cuenta con laboratorio húmedo para la distribución y tratamiento primario de
muestras, laboratorio de pesquerías, laboratorio químico, laboratorio bioquímico y laboratorio
de microbiología.
Barcos oceanográficos mexicanos.
La Universidad Autónoma de México posee dos barcos oceanográficos gemelos y semejantes al B. O.
Bélgica: El Puma, para operaciones en el Pacífico y base en Mazatlán, Sinaloa (Fig. 2) y el Justo Sierra,
para operaciones en el Atlántico con base en Tuxpan, Veracruz. Son barcos de 50.2 m de eslora y 10.3
m de manga, capacidad de 1000 toneladas de peso, rapidez de 12 nudos y autonomía de 30 días.
Figura. 2
El Centro de Investigación Científica y Estudios Superiores de Ensenada (CICESE), cuenta con el
barco oceanográfico Francisco Ulloa (Fig. 3). Es un barco de 28 m de eslora, manga de 7.1 m,
velocidad de 8.5 nudos y autonomía de 20 días. Utiliza una tripulación de 6 personas y espacio para 11
investigadores. Cuenta con grua A de popa, dos malacates oceanográfico uno en popa y otro lateral,
CTD hidráulico con cable electromecánico de 5000 m de longitud con rapidez de embobinado de 97.5
m por minuto, laboratorios húmedo y seco.
Figura 3.
Otras instituciones con barcos de investigación oceanográfica en México son la Secretaría de Marina de
la Armada de México, con los buques oceanográficos Altair (Fig. 4) y Humboldt, con operaciones en el
Pacífico y Atlántico respectivamente y la Universidad del Mar con el barco pesquero UMAR con base
en Salina Cruz y operaciones en el Golfo de Tehuantepec (Fig. 5).
Figura 4.
Figura 5.
Plataformas, boyas y flotadores.
Una plataforma es una superficie elevada sobre el agua que se encuentra nivelada. En términos
convencionales, un barco es una plataforma si éste no experimenta demasiado movimiento, de otra
forma, la superficie no se encuentra nivelada. Los satélites, aviones, naves o maquinaria de superficie
que navega sobre colchones de aire, barcos y torres oceanográficas pueden ser consideradas plataformas
a partir de las cuales se pueden realizar algunas observaciones oceanográficas. Los batiscafos también
son plataformas oceanográficas ya que proveen una superficie nivelada sobre el piso oceánico.
Los satélites proveen información de cobertura de nubes, permiten estimar la radiación solar que llega a
la superficie del mar, localizar huracanes, identificar áreas de evaporación alta, entre otras funciones.
Los satélites Nimbus (1964-1978) operaron para probar sistemas de sensores atmosféricos remotos.
Estos satélites eran orbitantes, con capacidad de ver el planeta entero en 24 horas mediante cámaras de
televisión de alta resolución. El trayecto seguido por estos satélites fue de orbita polar, es decir
orbitaban la tierra de polo a polo, pudiendo colectar información como olas o tsunamis a una razón de
dos veces por día, además de la información atmosférica. Para orbitar estos satélites deben operar a una
altura de 500 a 1500 km de altura
Otros satélites de los cuales se han obtenido datos oceanográficos han sido la serie TIROS (Satélite de
Observación de Televisión en Infrarrojo) y los ERTS (Satélite de Tecnología de Recursos de la Tierra)
posteriormente llamado LANDSAT ambas series también de órbita polar. En orbita geo-sincronizada
están los GEOS (Satélite de Operación Ambiental Geo-sincronizada). El primer satélite dedicado a la
observación oceanográfica fue el SEASAT, lanzado en 1978, equipado con radiómetros para luz visible,
infrarrojo y microondas, radar para medición de dispersión, imagen de radar y altimetría, tuvo una
órbita polar a 800 km de altura y cubriendo un 95% de los océanos cada hora. Desafortunadamente
funcionó sólo durante tres meses. Satélites de órbita polar mas reciente son el TIROS-N y los NOAA-6,
NOAA-7.
En particular las características de los satélites LANDSAT son: orbitas similares para optimizar
la calidad de la imagen. Cada satélite orbita a una altura de 915 km cada 103 minutos en una orbita
sincronizada con el sol, esto es el satélite mantiene el paso con el sol hacia el oeste a medida que la
rotación de la tierra progresa, resultando en un cruce por el ecuador a una hora prácticamente constante:
9:42 a.m. La órbita produce imágenes que son comparables en términos del ángulo del sol. Entre
órbitas, la rotación de la tierra avanza 2875 km, permitiendo una cobertura repetitiva cada 18 días.
LANDSAT 1-3 llevan dos tipos diferentes de sistemas de sensores: El sistema de barrido multiespectral
(MSS) y la cámara de rayo de retorno VIDICON. El MSS es el instrumento de imágenes básico, cubre
un área de 185×185 km y contiene 3240 líneas de barrido y 3240 elementos de fotografía o pixeles por
línea de barrido; dado que el MSS es sensible a cuatro bandas (desde 0.4 hasta 1.1 μ), en cada imagen
se envían más de 30 millones de piezas de datos. Esto es, la capacidad como sensor remoto se basa en
la resolución de las bandas espacial y espectral. La información se envía en forma de números o valores
numéricos digitales por cada píxel, para cada banda. Cada banda es sensitiva a una porción del espectro
electromagnético (Tabla I), las bandas 4 (verde) y 5 (rojo) proveen una excelente discriminación de
formas culturales como caminos, áreas urbanas, y estructuras de concreto. La banda 6 (cerca del
infrarrojo) se utiliza para la detección de cuerpos de agua, pantanos y suelo orgánico, mientras que la
banda 7 también es útil para la detección de cuerpos de agua.
Tabla I
Número de banda Ancho de banda (μm) Sensitividad Rango de número digital
4
0.5-0.6
Verde
0-127
5
0.6-0.7
Rojo
0-127
6
0.7-0.8
Infrarrojo
0-127
7
0.8-1.1
Infrarrojo
0-63
El sistema de cámara de rayo de retorno VIDICON consiste de tres cámaras apuntando a la misma área
(185×185 km) de la tierra. Este método produce una imagen plani-métrica más correcta que la de MSS.
Superpuesta a cada imagen hay una malla reseau (pronunciese razó) o marcas precisamente
posicionadas que se usan para eliminar la distorsión de la imagen. La resolución espacial es de 80 m
con sensitividad espectral de 0.48 a 0.83μ. Este rango incluye tres bandas: la banda 1 (0.48-0.58μ),
sensitiva al verde; la banda 2 (0.58-0.83 μ), sensitiva al rojo; la banda 3 (0.69-0.8μ), sensitiva al
infrarrojo. Una imagen de RBV (Return Beam VIDICON) se expone primero a una superficie
fotosensible, luego se barre para convertirla en matriz de píxeles y se envía entonces a una estación
terrena. El LANDSAT 4 y 5 lanzados en 1982 y 1985 respectivamente, llevan un barredor
multiespectral mejorado conocido como Mapeador Temático. La mejora consiste en una reducción del
rango de cada banda y la adición de tres bandas más. Seis de las siete bandas tiene una resolución
espacial de 30 m. La banda seis infrarroja tiene una resolución de 120×120 m. La Tabla II presenta las
aplicaciones primarias de cada banda. En la imagen LANDSAT se tiene una matriz de números, cada
uno representando un valor específico del píxel y de la banda. Los datos se almacenan en el satélite y
eventualmente se trasmiten a una estación terrena donde son manipulados numéricamente por una
computadora y convertidos a valores de gris o colores.
Tabla II
Número
banda
1
2
3
4
5
6
7
de Ancho de banda Aplicaciones
(µm)
0.45-0.52 azul
Excelente penetración de agua y discriminación de vegetación.
0.52-0.60 verde
Corresponde al pico de reflexión del verde en vegetación;
análisis de vegetación.
0.63-0.69 rojo
Sensitivo a la banda de absorción de la clorofila roja; excelente
para discriminación de vegetación.
0.76-0.90 cerca al Excelente para determinación de biomasa y análisis de suelo.
infrarrojo
1.55-1.75 infrarojo Detecta contenido de humedad del suelo de vegetación;
medio
excelente para trabajo hidrológico.
10.4-12.5 Térmico
Diseñado para detectar recursos geotérmicos y análisis de estrés
en vegetación.
2.08-2.35 infrarojo Excelente para análisis geológico.
medio
El Sistema de Satélites de Navegación de la Marina de los Estados Unidos, consiste de satélites en
órbita polar. Estos satélites emiten ondas de radio capturadas por receptores en barcos. El movimiento
relativo de satélites y barcos produce un desplazamiento Doppler en la frecuencia de las señales
recibidas (mismo principio que el ADCP) y del registro de esto y la información de la órbita se obtiene
la posición del barco dentro de una fracción de milla.
Aviones
Los aviones han sido usados para obtener información del océano en diferentes formas. Una de estas
consiste en utilizar pequeñas boyas desechables para registrar la temperatura del agua en la superficie y
a varias profundidades que son interrogadas por radio desde un aeroplano para recuperar la
información. Los aviones fueron usados para explorar las fronteras de la Corriente del Golfo.
El avión NFS/NCAR C-130 Hércules de los Estados Unidos (Fig. 5) ha sido usado por el Instituto
SCRIPPS para realizar mediciones de los campos meteorológicos y turbulencia, durante eventos de
viento intenso (Tehuanos) sobre el Paso de Chivela en el Istmo de Tehuantepec y observaciones de
variaciones en el rompimiento del oleaje como función de la velocidad del viento y del fetch sobre el
Golfo de Tehuantepec. El Hércules C-130 esta clasificado como avión de tamaño medio impulsado por
cuatro motores Allison T-56-A-423. La base de operación de este avión se encuentra en Broomfield,
Colorado, USA. Tiene una longitud de 30.6 m, una apertura de alas de 40.8 m y tiene una altura de 11.7
m. Puede llevar una carga de 10 toneladas, volar a una altura de 7800 m, un rango de operación que
varía entre 1800 y 3100 millas náuticas (3240-5580 km) en función de la altura de vuelo, duración de
10 horas, es capaz de desarrollar una velocidad de 290 nudos (522 kmh-1) y llevar hasta 19
investigadores a bordo.
Figura 5.
Plataformas y torres.
Sobre la plataforma continental o donde el agua se vuelve lo suficientemente somera para hacer
práctico la instalación de pilotes, se pueden establecer plataformas permanentes. Este tipo de
construcciones ha sido fuertemente desarrollado por compañías explotadoras de petróleo en el Golfo de
México.
Boyas
Una boya es un objeto flotante sobre la superficie o dentro de la columna de agua, anclado en un lugar
determinado. Existe una gran variedad de boyas. Un ejemplo típico es el buque de investigación FLIP
(Floating Instrument Plataform) operado por SCRIPPS. Se considera parcialmente un barco,
parcialmente una plataforma y parcialmente una boya. Para navegar requiere ser remolcado, pero
también sirve como boya cuando es anclado. FLIP tiene aproximadamente 118 metros de longitud y
pesa aproximadamente 600 toneladas. Esta diseñado para oscilar verticalmente menos de 1 metro en
mar con olas de 9 metros de altura y moverse de lado a lado poco mas de un grado. En la proa se
encuentran los laboratorios y espacios para que los científicos vivan. El tubo cilíndrico permite a los
científicos descender hasta 45 metros por debajo de la superficie.
Figura 6.
La boya mástil de interacción mar-aire ASIS (Air Sea Interaction Spar; Fig. 7) es utilizada para la
medición confiable y precisa de flujos atmosféricos de superficie (momentum y calor) y el espectro
direccional del oleaje además de las usuales variables atmosféricas y oceanográficas. La boya ASIS es
una plataforma estable con características de baja perturbación del flujo en las capas de frontera
atmosférica y oceánica. Puede ser usada como un flotador libre para derivar o para mediciones en un
punto fijo. Si se realizan mediciones en un punto fijo, la boya es unida mediante una línea de
aproximadamente 60 m a una boya de atadura que lleva peso muerto anclado. La boya ASIS ha sido
usada por el CICESE, la UABC, la UMAR y la Secretaría de Marina para medir flujos de intercambio
de momento y variables atmosféricas y oceanográficas durante condiciones de viento intenso
(Tehuanos) en el Golfo de Tehuantepec.
Figura 7.
Flotadores
Boyas flotantes libres han sido de gran uso en la investigación oceanográfica. Si las boyas no se
encuentran ancladas, se les nombra flotadores. Varios de estos instrumentos trasmiten señales acerca de
su posición. Como ejemplo de los primeros usos se encuentran boyas de deriva usadas por el
Laboratorio de Electrónica de los Estados Unidos para registrar la temperatura a 20 profundidades
enviando la información por radio en FM a una distancia de 10 millas.
Submarinos y batíscafos
En adición a las plataformas y boyas se cuenta con submarinos como instrumentos de observación
oceanográfica. Un ejemplo clásico es el vehículo ALVIN, operado por WHOI. Alvin fue el primer
sumergible con capacidad de llevar pasajeros, un tripulante y dos observadores. Con mejoras agregadas,
ALVIN ha estado activo desde 1964. Mide aproximadamente 7 metros de largo, 2.55 m de ancho, 3.55
m de alto y pesa cerca de 17 toneladas. Tiene capacidad para sumergirse a una profundidad de 4430 m,
y permanecer 10 horas sumergido bajo condiciones normales, pero el sistema de vida puede mantener a
los tripulantes hasta por 72 horas. Tiene un rango de operación de 10.8 km y una velocidad máxima de
2 nudos (1 nudo velocidad de crucero) e impulsado por 5 propulsores alimentados por motores
eléctricos.
Figura 8.