Introducción - Asociación de Estudios del Mar

Tecnologías marinas para la exploración del Océano
Alberto Alvarez Díaz-IMEDEA
Introducción
Desde tiempo inmemorial el ser humano ha intentado adentrarse en los misterios que le
ofrecía el mundo que le circundaba. Esta actitud constituyó la base de su progreso y
evolución. Poco a poco aquellas explicaciones de los fenómenos naturales forjadas en el
ámbito de su imaginación y creencias, fueron sustituidas por la luz del raciocinio y la
ciencia. Así, la búsqueda de explicaciones racionales sobre la razón de ser y el
comportamiento del entorno que le rodeaba constituyeron el motor de la historia
intelectual de la Humanidad. Este análisis racional se extendió a todos los fenómenos y
sistemas que formaban parte de nuestra vida…a todos excepto a uno.
La relación entre el hombre y el Océano ha sido desde siempre muy estrecha. En su
último extremo, el mar ha sido el origen de nuestra procedencia. Además ha constituido
una fuente de alimentos y un medio por el cual transportarse, favoreciendo la relación
entre diferentes comunidades y sociedades humanas. Pese a su importancia en el
desarrollo de la humanidad, el Océano ha permanecido hasta hace relativamente poco
en el ámbito del misterio y las creencias. Tanto es así, que hasta la década de los años
70, ya en pleno siglo veinte, se tenía más conocimiento sobre la Luna que sobre nuestro
propio mar. Dieciséis personas habían pisado la superficie de nuestro satélite… tan sólo
dos pudieron sumergirse hasta los abismos marinos. ¿Cómo es posible que hasta hace
tan poco tuviéramos más conocimiento sobre un satélite localizado a más de trescientos
mil kilómetros de la Tierra que de nuestro propio Océano?
Existen diversas causas que dificultan la exploración del medio marino. Quizás la
primera y más trivial es el hecho de que no estamos biológicamente adaptados para
habitar el medio marino. Nuestros órganos de respiración y estructuras de locomoción
son incompatibles con el medio acuoso. Nuestro conocimiento debe estar basado
entonces en el desarrollo tecnológico de sistemas telemétricos (medición a distancia) y
de plataformas de investigación capaces de moverse sobre su superficie o de soportar
las terribles presiones existentes en las profundidades marinas. Desgraciadamente, el
agua del mar es impenetrable para las ondas electromagnéticas, invalidando la
utilización de técnicas de observación y exploración como el radar, tan eficientes en la
investigación espacial y terrestre. Las dimensiones del Océano son enormes comparadas
con nuestra escala, y los medios de desplazamiento en este medio no son tan rápidos
como en el aéreo. El Océano es demasiado profundo, con una profundidad media de tres
mil cuatrocientos metros y una profundidad máxima de más de once kilómetros. Esto
hace que las presiones que hay que soportar en el interior del Océano sean enormes, del
orden de una tonelada por centímetro cuadrado en las zonas más profundas! Son muy
pocos los materiales existentes capaces de soportar la magnitud de estas fuerzas. El
carácter corrosivo del agua del mar, es otro de los aspectos que dificultan la exploración
marina. Cualquier instrumento de medición en el mar sufrirá los efectos corrosivos del
agua salada así como la acción de los elementos vivos que en él habitan. El resultado es
una degradación progresiva e implacable de dicho instrumento. Finalmente, y al
contrario que la Luna, el mar está en cambio permanente. Esto hace que las condiciones
observadas ayer sean sustancialmente distintas a las que se pueden ver hoy. Esta
variabilidad se da tanto en el espacio como en el tiempo. Esto es, el estado del mar (sus
corrientes, temperatura, concentración de sal etc.) cambia de un punto a otro del planeta
para un tiempo fijo y, además, varía de un momento a otro para un mismo punto. Estos
cambios no son independientes unos de otros sino que están intrínsicamente
Figura 1. Distribución inhomogénea de la salinidad en el Océano
relacionados entre ellos. Esta propiedad física es lo que conocemos como la naturaleza
turbulenta del Océano. Todas estas características marinas han hecho que el medio
marino permaneciera siendo un misterio hasta hace relativamente poco, cuando los
avances tecnológicos nos han permitido adentrarnos en ese mundo. Esta presentación
intenta describir aquellos avances tecnológicos que han contribuido significativamente
al conocimiento del entorno marino.
Buques oceanográficos
Sin lugar a dudas, los buques oceanográficos han sido las principales plataformas de
observación oceánica. Estos son verdaderos laboratorios multidisciplinares flotantes
capaces de albergar sofisticados laboratorios de química, biología, geología y física
marina. Estos laboratorios permanecen en funcionamiento las veinticuatro horas del día
durante una campaña oceanográfica. El tamaño de estos buques puede ser desde una
decena de metros hasta más de cien metros de eslora. Su estructura está adaptada a la
funcionalidad esperada. Estos buques disponen de diversos elementos de soporte. En
sus cubiertas disponen de grúas especiales y de distintos tamaños para operar la distinta
instrumentación. Así, los buques oceanográficos pueden operar diferentes tipos de
redes, similares a las de pesca, para capturar la distinta biomasa de la zona en función de
su tamaño. Los barcos oceanográficos pueden enviar sondas denominadas CTD
(abreviación en inglés de las siglas de Conductividad, Temperatura y Profundidad)
hasta las profundidades marinas. Esto implica mantener una sonda de decenas a
centenares de kilos, sustentada por un cable de acero de varios kilómetros de longitud.
En su movimiento de descenso y ascenso la sonda envía información en tiempo real a
Figura 2. Buque oceanográfico español Cornide de Saavedra (izquierda) y ejemplo de
sistemas de inmersión de la sonda CTD (derecha).
través del cable de la temperatura, conductividad, profundidad, fluorescencia etc.
Simultáneamente, diversas bombas extraen agua marina desde el exterior del buque para
incorporarla en un circuito cerrado en el laboratorio para su posterior análisis.
La mayoría de los buques oceanográfico disponen en su casco externo de un habitáculo
donde se incorporan los denominados. ADCPs, sondas que estiman por medio de haces
acústicos, la velocidad del fluido circundante hasta varios cientos de metros de
profundidad. Complejos sistemas de comunicaciones, posicionamiento y estaciones
meteorológicas completan la instrumentación básica de un buque oceanográfico. Estos
barcos pueden realizar sus misiones durante meses en los ambientes más extremos,
como los encontrados en ambos polos
Satélites
El advenimiento de los satélites ha
supuesto un enorme avance en el estudio
del Océano. Este avance ha venido dado
por dos aspectos. El primero se refiere
puramente
al
campo
de
las
telecomunicaciones. Hoy en día, cualquier
buque oceanográfico o instrumento de
exploración autónoma está perfectamente
comunicado con su base o laboratorio
gracias a los sistemas de comunicación
satelitales. Esto permite que el laboratorio
conozca en tiempo real los resultados de
las mediciones realizadas. Los satélites
han introducido nuevas metodologías de
medición de ciertos parámetros oceánicos.
Así, la radiación infrarroja emitida por la
superficie oceánica es capturada por
receptores situados en los satélites para
proporcionarnos información detallada
sobre la temperatura superficial.
Figura 3. Temperatura obtenidas por
satélite
Otros sensores satelitales ofrecen información sobre el color u otras bandas de
frecuencia de la radiación emitida para obtener diversa información sobre la
concentración de clorofila. Los sensores satelitales no sólo son pasivos sino que pueden
tener una componente activa. Específicamente, pueden emitir radiación
electromagnética para inferir la “altura” del mar, esto es la distancia entre el satélite y la
superficie del mar. Esta “altura” no es la misma en las distintas zonas del Océano y sus
diferencias están relacionadas con el campo de velocidades en superficie.
La gran ventaja de los satélites es sin lugar a dudas su capacidad de cubrir amplias
zonas del Océano en poco tiempo. Esto proporciona una idea sobre la variabilidad
espacial y temporal de las distintas zonas oceánicas. Su desventaja es que sólo una
cantidad muy limitada de variables oceánicas pueden ser medidas desde las plataformas
satelitales. Estas variables están relacionadas con aspectos superficiales del mar.
Anclajes
Los anclajes constituyen otra forma muy
extendida de observar el Océano. Principalmente
están constituidos por una boya superficial
anclada mediante un cable al fondo marino. En la
boya se sitúan los sistemas de comunicación
satelitales o por radio, sensores meteorológicos y
sistemas de señalización adecuados para evitar
colisiones. Distintos instrumentos se adjuntan a
distintas profundidades al cable que une la boya
con el fondo marino. Estos instrumentos de
medida
pueden
ser
pequeños
CTDs,
correntímetros acústicos o mecánicos y sensores
ópticos. En las versiones más avanzadas, todos
estos instrumentos envían sus datos a sistemas de
recepción colocados en la boya superficial, la cual
a su vez los transmite vía satélite a la base. Esta
comunicación
submarina
suele
realizarse
mediante módems acústicos, los cuales envían la
información mediante pulsos de sonido de fácil
propagación en el medio acuático.
CTD
Correntímetro
Optica
ADCP
Correntímetro
Correntímetro
Correntímetro
Optica
Correntímetro
Figura 4. Anclaje y elementos
Los anclajes proporcionan una información muy detallada de cómo varía el ambiente
marino en un único punto del espacio. Desafortunadamente su coste impide la
utilización de un elevado número de anclajes en el Océano. Además, su mantenimiento
reviste ciertas complejidades, involucrando una cantidad ingente de recursos.
Boyas de deriva
Desde la antigüedad, la forma más intuitiva de inferir la corriente marina ha sido el
depositar un objeto en la superficie del mar y observar su deriva. Este sencillo
experimento proporcionaba una estimación de la velocidad de la corriente (velocidad
del objeto) y su recorrido espacial. Este mismo experimento se realiza a gran y pequeña
escala en muchas zonas del Océano. Por supuesto, el objeto ya no es un simple trazador
Figura 5. Funcionamiento de una boya perfiladora (derecha) y distribución de todas las
boyas perfiladoras en el Océano el 2 de Enero del 2007.
sino boyas con una sofisticada tecnología en su interior (no obstante, es curioso el
hecho de que todavía hoy en accidentes con vertidos se depositen en el lugar varias
toneladas de naranjas para observar su dispersión y deriva). Existen distintas boyas de
deriva que pueden ser superficiales, de trazado submarino o que combinan ambas
capacidades.
Como su nombre indica, las boyas superficiales trazan las corrientes marinas en la
superficie del mar. Éstas no pueden tener cualquier forma, sino que deben ser diseñadas
siguiendo determinados estándares para asegurarse de que realmente siguen la corriente
y no el viento. La boya superficial transmite su posición vía satélite al laboratorio.
Excepcionalmente pueden albergar sensores de temperatura.
Las boyas de deriva profunda son equivalentes a las superficiales excepto que se
utilizan para trazar las corrientes marinas a distintas profundidades. No poseen sistemas
de comunicación como las anteriores por lo que su localización se hace mediante la
triangulación de escuchas con hidrófonos direccionales de un pequeño emisor acústico
localizado en su interior.
La versión más avanzada de las boyas de deriva las constituye las denominadas boyas
perfiladoras. El modus operando de estas boyas es el siguiente: la boya se hunde hasta
una profundidad de unos dos mil metros, profundidad en la cual deriva debido a las
corrientes por un periodo de diez a catorce días. Pasado ese tiempo, la boya mueve
aceite a una pequeña membrana externa que se hincha. Este hecho hace que la boya
cambie su flotabilidad de neutra a positiva, produciéndose un movimiento ascendente
en la columna de agua. Durante su ascenso la boya mide variables como la temperatura
y salinidad. La boya transmite los datos medidos vía satélite una vez alcanzada la
superficie. Acabada la transmisión, el aceite vuelve a bombearse a un depósito interior,
desinflándose la membrana y hundiendo la boya. Nuevamente la boya pasará otros
catorce días advectando a dos mil metros de profundidad hasta repetir el ciclo de
medida.
Sin lugar a dudas, la incorporación de boyas perfiladoras ha producido una revolución
en la oceanografía actual ya que permiten el muestreo casi continuo de los dos primeros
kilómetros de la capa oceánica. De hecho, hoy en día existe una red de muestreo global
por boyas perfiladoras, denominada Argo, que cuenta con cerca de tres mil boyas
perfiladoras diseminadas por todo el Océano y que permiten monitorizar el mar con una
resolución espacial de unos trescientos kilómetros cuadrados y temporal de unas dos
semanas. El impacto de esta red de muestreo en la comprensión y predicción del
sistema oceánico es indiscutible.
Figura 6. Funcionamiento de un planeador submarino (derecha) y planeador submarino
SLOCUM existente en el IMEDEA
Planeadores submarinos “gliders”
Como ya se ha indicado, las boyas perfiladoras han representado un avance muy
sustancial en el campo de la oceanografía. Esto es debido a dos factores principales: su
cobertura global y su autonomía en el mar. Sin embargo, estas boyas presentan una
deficiencia clara. Su localización es incontrolada ya que su movimiento se debe a la
advección por corrientes en muchos casos desconocidas. Como resultado las boyas
tienden a concentrarse en zonas de convergencia, dejando otras zonas oceánicas sin
muestrear. Los planeadores submarinos “gliders” han sido desarrollados para subsanar
en parte este problema. Específicamente, los planeadores submarinos son pequeños
submarinos autónomos capaces de explorar amplias zonas del Océano. El planeador
utiliza su forma hidrodinámica, pequeñas alas y cambios de flotabilidad para inducir
movimientos horizontales en la columna de agua. Antes de iniciar la inmersión, el
planeador posee flotabilidad positiva. Esto lo consigue llenando una pequeña vejiga con
aire o aceite, de forma similar a las boyas de deriva. Mientras está en superficie, el
planeador submarino dispone de comunicación satelital con el laboratorio que puede
estar localizado en cualquier parte del planeta. El planeador recibe la misión a realizar
vía satélite. Una vez completada las transmisiones con el laboratorio, el planeador
desinfla su vejiga, su flotabilidad se convierte en negativa y, por tanto, comienza a
hundirse. Es en este momento donde entra en juego la forma hidrodinámica y las alas.
El empuje experimentado por éstas hace que exista un desplazamiento horizontal
efectivo. Cuando la profundidad deseada ha sido alcanzada, el planeador infla
nuevamente la vejiga, siendo nuevamente su flotabilidad positiva e induciendo un
movimiento ascendente. Nuevamente el efecto de las alas y el casco inducen
desplazamiento horizontal. La suma de todos estos procesos es un movimiento en zigzag en la columna de agua con una velocidad horizontal neta de un kilómetro y medio
por hora. Nótese que este procedimiento ofrece una forma de desplazamiento con un
mínimo consumo de energía y por tanto otorga al planeador una gran autonomía en el
Figura 7. Submarino autónomo AUV construido en el IMEDEA
mar. Esta autonomía puede llegar a ser de hasta tres meses!. Es decir, durante tres
meses se dispone de una plataforma de observación autónoma midiendo las variables
oceánicas de forma continua. El coste de operación es mínimo cuando se compara con
el coste económico que implicaría realizar la misión con un buque oceanográfico.
Al contrario que las boyas de deriva, el empleo de planeadores submarinos es todavía
escaso. Esto es debido al carácter reciente de esta tecnología. Actualmente en Europa
existen tan sólo 10 unidades en activo, dos de las cuales operan en el Instituto
Mediterráneo de Estudios Avanzados-IMEDEA (Palma de Mallorca).
Vehículos autónomos submarinos-AUVs
Los planeadores submarinos constituyen una plataforma de observación marina con
grandes capacidades: su movimiento es controlado y su autonomía es de varios meses.
Sin embargo, la maniobrabilidad y potencia de estos sistemas es limitada en aquellas
regiones donde existen fuertes corrientes. Esto ocurre frecuentemente en zonas costeras
como playas, bahías, estuarios etc., donde forzamientos como las mareas pueden
producir corrientes de gran intensidad y complejidad espacial y temporal. En estas
zonas los planeadores submarinos no disponen de la potencia suficiente para
contrarrestar dichas corrientes, siendo su operación inviable si la corriente supera el
nudo y medio de velocidad.
Los AUVs son pequeños submarinos autónomos dotados de sistemas de propulsión,
generalmente eléctrica. Gran parte del volumen del submarino está ocupado por
baterías que proporcionan la energía a los motores. El resto del volumen es para los
sistemas de medición y navegación. Éstos últimos pueden ser de gran complejidad pues
el AUV puede moverse a grandes velocidades, guiándose por estimaciones de su
posición con respecto a determinados hitos. El AUV asciende a superficie cada cierto
tiempo para proceder a la transmisión vía satélite de los datos. La autonomía de estas
plataformas está limitada a una decena de horas.
Los AUVs no están exentos de problemáticas. Las más importantes son su autonomía y
su posicionamiento. La primera hace referencia a incrementar el período de sus
misiones. Para ello es necesario dotar a los AUVs de eficientes fuentes de energía. Se
han realizado distintos prototipos usando pilas de combustible, baterías de litio o
incluso la capacidad de recarga solar de baterías cuando éste está en superficie. La
problemática sobre el posicionamiento del AUV cuando éste está sumergido es también
de gran complejidad. Cuando un AUV toma un dato, no sólo el valor de la magnitud
medida es importante. Además debemos saber con precisión dónde se ha tomado ese
dato. Este posicionamiento es muy delicado cuando uno se encuentra sumergido debido
a la impenetrabilidad del GPS bajo la superficie marina. Los AUVs disponen de los
llamados sistemas inerciales que miden con determinada precisión, las velocidades y
aceleraciones en todos los grados de libertad del sistema. Con estas mediciones, el
vehículo integra su posible trayectoria. Éste proceso no está exento de errores por lo
que es necesario que el AUV emerja cada cierto tiempo para tomar un punto de
referencia preciso a partir del cual integrar su trayectoria.
Conclusión
En la actualidad la oceanografía es una rama del conocimiento que se expande a gran
velocidad. Esta expansión es debido a los avances tecnológicos que han permitido
construir sensores más precisos y con mayor capacidad de medida y al desarrollo de
plataformas de observación capaces de llevar estos sensores a zonas del Océano
distantes y profundas. Esta contribución ha presentado algunos resultados de estos
avances tecnológicos. Con su ayuda, el ser humano podrá descifrar los misterios que
todavía presenta el Océano.