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sábado, 28 de abril de 2012

TEMA II OLEAJE Y MAREAS

                                     


OBJETIVO: Interpretar la teoría general de los principales fenómenos oceanográficos y la interacción mar-costa.

II.1 Oleaje.
II.1.1 Clasificación de las ondas.
II.1.2 Teoría del oleaje. Primera aproximación de Stokes.
II.1.3 Geometría estadística del oleaje. Distribución de Rayleigh.
II.1.4 Predicción de oleaje.
II.1.5 Fenómenos del oleaje. Rompiente, refracción, difracción y reflexión.
II.1.6 Medición en campo. Oleaje y batimetría.
II.2 Mares.
II.2.1 Origen y clasificación.
II.2.2 Descripción del método de predicción. Uso de tablas de predicción de marea.
II.2.3 Correlación de niveles significativos a cuerpos costeros próximos a la estación oceanográfica.
II.2.4 Clasificación de corrientes. Corrientes producidas por mareas.
II.2.5 Medición de campo.

II.1 Oleaje.
Las olas del mar son ondas sísmicas (es decir, movimientos de un medio material) de las llamadas 'superficiales', que són aquellas que se propagan por la interfaz, entre dos medios materiales. En este caso se trata del límite entre la atmósfera y el océano. Cuando pasa una ola por aguas profundas (a una profundidad mayor a 1/20 de su longitud de onda), las moléculas de agua regresan casi al mismo sitio donde se encontraban. Se trata de un vaivén con una componente vertical, de arriba a abajo, y otra longitudinal, la dirección de propagación de la onda.

Hay que distinguir dos movimientos. El primero es la oscilación del medio movido por la onda, que en este caso, como hemos visto, es un movimiento circular. El segundo es la propagación de la onda, que se produce porque la energía se transmite con ella, trasladando el fenómeno con una dirección y velocidad, llamada en este caso velocidad de onda.


II.1.1 Clasificación de las ondas.
Tipos de oleaje (mar de viento, mar de fondo). Clasificación de las olas

El oleaje puede ser de:

1. Oleaje de mar de viento.

Es el viento el que directamente levanta las olas.
El perfil de las olas es agudo.
Olas de corta longitud de onda.
Crestas muchas veces rotas.
Su dirección coincide con la del viento.

2. Oleaje de mar de fondo o tendida.

Olas que permanecen y se propagan una vez caído el viento.
Perfil de olas sinusoidal.
Longitud de onda muy larga.
Crestas redondeadas que no llegan a romper.
La dirección puede coincidir o no con el viento, pues dependen del viento que las formó y no del actual.

CLASIFICACIÓN DE LAS ONDAS
Conforme al periodo las ondas se clasifican según Kinsman (1965) en:
1) Ondas Capilares.- Son las producidas por vientos con velocidades entre 0.25 y 1.00 m/seg. Están controladas por la tensión superficial y la gravedad de la tierra, se caracterizan por tener un periodo menor que 0.1 seg., longitud menor de 1.73 cm y un valor máximo de celeridad de 17.3 cm/seg.

2) Ondas de Gravedad.- Tienen la característica de que su longitud es mayor que 1.73 cm., están controladas por la gravedad y se pueden subdividir en:

a) Ondas de Ultra gravedad.- Son producidas por vientos que varían sus velocidades entre 1 y 5 m/seg., se presentan en pequeños lagos.

b) Ondas de Gravedad propiamente dicho.- Son producidas por vientos con velocidades que varían entre 6.5 y 7 m/seg., con periodos entre 1 y 30 seg. y son las ondas que generalmente se ven en el mar.

c) Ondas de infla gravedad.- Son ondas de gravedad con periodo entre 30 seg. y 5 minutos, que causan oscilaciones notorias en la superficie del mar y se producen en grandes tormentas y huracanes


3) Ondas de Periodo Largo.- Su longitud es mucho mayor que la profundidad, es decir d/L << 1. En la naturaleza se pueden distinguir dos tipos de ondas de periodo largo, un producto del deslizamiento de tierra submarina o plataformas continentales que reciben el nombre de Tsunami y las otras producidas por las mareas que tienen la característica de que su periodo varía entre 12 y 24 horas, generadas por la atracción del sol y/o la luna.

4) Ondas de Transmarea.- Se caracterizan por tener periodos mayores de 24 horas, son producidas por la atracción del sol y la luna.

Conforme a la altura de la onda se clasifican en:
1.- Amplitud pequeña.- La altura comparada con la longitud es pequeña, se desprecian los desplazamientos de la masa líquida y para su estudio se usa la Teoría Lineal.

2.- Amplitud finita.- No se desprecian los desplazamientos de la masa líquida y se considera que existe un desnivel entre el nivel de reposo y el nivel medio de la onda. Para su estudio se utiliza la segunda aproximación de Stockes.
 
Conforme a la profundidad relativa:
1.- Aguas profundas.- d/L >= 0.5; teórico d/L >= 1
2.- Aguas intermedias.- 0.5> d/L > 0.05; 1 > d/L > 0.005
3.- Aguas someras.- d/L <= 0.05; d/L <= 0.005
Conforme al desplazamiento de las partículas:
1.- Ondas de traslación pura.- Son aquellas en las cuales los desplazamientos de las partículas en cualquier instante se producen en la dirección en el movimiento de la onda.

2.- Ondas de oscilación.- Se caracterizan en que los desplazamientos de las partículas siguen trayectorias cerradas o casi cerradas, de tal forma que durante algún tiempo su componente horizontal sigue la dirección del movimiento de la onda y un tiempo después tiene sentido contrario.

Conforme a la teoría del oleaje:
1.- Ondas Senoidales.- Son aquellas que se presentan en aguas profundas y semejan a la trayectoria de una función seno.

2.- Ondas Conoidales.- Son aquellas que se presentan en aguas someras y cuyo perfil asemeja una función dada por un conjunto de series matemáticas que contienen el Jacobiano y el coseno elíptico designado con las letras “Cn”.

3.- Trocoidales.- Son similares a las antes descritas, pero tienen la forma de una trocoide.

4.- Solitaria.- No presenta valle, no es periódica y no tiene definida una longitud de onda, son parecidas a los tsunamis.

II.1.2 Teoría del oleaje. Primera aproximación de Stokes.

En 1847 y en 1880 Stockes desarrolló una teoría para ondas de amplitud finita, cuya primera aproximación coincide con los resultados obtenidos por Airy de la teoría lineal, en el cual el potencial de velocidades es función directa de la esbeltez de la onda (H/L).

Las hipótesis en que se basa la teoría lineal son las siguientes:
1. El agua es homogénea.
2. El flujo es rotacional.
3. El fondo es fijo, impermeable y horizontal en un punto de estudio.
4. La presión a lo largo de la interfase agua-aire es constante.
5. La amplitud de la onda es pequeña comparada con la longitud y con la profundidad del agua.

Teoría de olas.

Las olas son producidas por diferentes causas. Existen olas que son generadas por el viento, por las mareas, por tormentas, por oscilaciones o por terremotos. Estas últimas se conocen como Tsunamis; son olas que alcanzan alturas considerables cuando rompen contra las costas.

Para que se genere una ola se requiere que exista una fuente de energía que, al transmitir al agua en reposo una cantidad determinada de energía, produce un movimiento oscilatorio de las partículas del líquido sin que haya un transporte importante de masa. Este movimiento oscilatorio es similar al que se induce por vibración a una cuerda que esté fija por sus dos extremos. Como se verá más adelante, la propagación de la energía dentro de la masa de agua está relacionada estrechamente con la propagación de las olas que se generan con esa energía.

El desarrollo de la Teoría de las olas se basa en la aplicación de las ecuaciones de Navier-Stokes en el flujo de fluídos viscosos en régimen no permanente.

La teoría que se trata en el texto se conoce como Teoría de Stokes . Algunos autores, como Iribarren por ejemplo, prefieren la Teoría Trocoidal la cual tiene un tratamiento matemático más complicado.

Para su estudio las olas se clasifican en Olas de pequeña amplitud y Olas de amplitud finita. Las primeras representan alteraciones pequeñas en la superficie del agua y no ocasionan problemas notables a las estructuras que están localizadas en alta mar o en la costa. Las olas de amplitud finita son las olas que interesan en los diseños de puertos, estructuras marinas y obras de protección de playas.

El estudio de las olas de pequeña amplitud se basa en la Teoría Lineal en la forma como fue desarrollada por Stokes. Es una aplicación simplificada de la ecuación general del flujo no permanente. Supone que el flujo es irrotacional y utiliza solamente el primer término de la ecuación de Navier-Stokes. El resultado es una Ola Sinusoidal que tiene las siguientes características:
 
Para el análisis de las Olas de Amplitud Finita, Stokes añade a las ecuaciones de la Teoría Lineal los términos de orden superior de la ecuación de Navier Stokes. A continuación se observan las características de la Ola de Stokes de Segundo Grado:


 II.1.3 Geometría estadística del oleaje. Distribución de Rayleigh.



En la teoría de la probabilidad y estadística, la distribución de Rayleigh es una función de distribución continua. Se suele presentar cuando un vector bidimensional (por ejemplo, el que representa la velocidad del viento) tiene sus dos componentes, ortogonales, independientes y siguen una distribución normal. Su valor absoluto seguirá entonces una distribución de Rayleigh. Esta distribución también se puede presentar en el caso de números complejos con componentes real e imaginaria independientes y siguiendo una distribución normal. Su valor absoluto sigue una distribución de Rayleigh.

Usando distribuciones de RU medidas en un amplio espectro de playas de arena, estos autores mostraron que, para un estado de mar, la distribución de Rayleigh es un modelo estadístico razonable para el máximonivel alcanzado por olas individuales. Este resultado también se obtuvoteóricamente por Battjes (1971) para el caso especial de correlación perfectaentre H y T.

II.1.4 Predicción de oleaje.

Modelos de predicción de oleaje

¿Qué son?: son modelos matématicos que calculan, en base a unos datos de entrada (intensidad y dirección del viento, fetch, perfil y relieve de la costa, etc), la altura y dirección del oleaje. Es importante recordar que estas predicciones son teóricas, por lo que es recomendable contrastar estos datos con los reportados por las boyas en alta mar.
Hay que tener en cuenta también que la altura de las olas que se indica en los mapas no es la altura máxima, sino la altura significativa, es decir la altura media de la tercera parte de las olas más altas.


II.1.5 Fenómenos del oleaje. Rompiente, refracción, difracción y reflexión.




Rompiente

Son los lugares donde se rompen las olas.

Se presentan con gran cantidad de espuma en lugares de poco fondo.
Si se producen en una playa con pendiente gradual y homogéneo y con oleaje vertical se verán líneas de rompientes paralelas (si son inclinadas es que hay corrientes).

Cuando se producen en arrecifes, bajos o barras, se presentan como líneas irregulares y se debe tener en cuenta que la espuma está a sotavento de ellos y que puede haber remolinos fuertes en las proximidades.

                                 

Refracción de olas 
Dado que la velocidad de las olas en agua poco profunda depende de la profundidad (c=√gh), 
aquella parte de la ola que esta viajando por la parte mas profunda, viaja mas rápido, haciendo
que la ola se curve o cambie de dirección. A este cambio de dirección que experimentan las olas
conforme se aproximan a la costa es lo que se llama REFRACCION DE OLAS. Este cambio 
de dirección se puede estudiar trazando los rayos perpendiculares a la cresta de una ola.

REFLEXIÓN DE OLEAJE 
El fenómeno de reflexión es análogo al que sufre la luz; el rayo luminoso es sustituido por la línea perpendicular al frente de la ola, y ésta se refleja al encontrar un obstáculo adecuado, cumpliendo con las leyes de reflexión, es decir, el ángulo de incidencia y el de reflexión son iguales, quedando en un mismo plano el rayo incidente, el reflejado y la perpendicular a la superficie reflectora en el punto de incidencia. Los accidentes geográficos, naturales o artificiales tales como cabos, islas, entradas estrechas a bahías, pasos estrechos entre dos islas, etc., o fenómenos marinos como las corrientes marinas son los obstáculos más comunes que pueden oponerse o interponerse al oleaje, produciendo los fenómenos de reflexión. 

DIFRACCION EN OLAS 
En el caso del oleaje el fenómeno se origina con "agujeros" enormemente mayores que en el caso de las ondas luminosas, como pueden serlo la boca de un puerto o de una bahía suficientemente cerrada. Los bordes de entrada al recibir el oleaje exterior se convierten en centros emisores de oleaje por "difracción", mandando hacia el interior del puerto o bahía un oleaje distinto al que recibieron, y que se propaga como abriéndose en abanico, siendo más débil que el que le dio origen. Como esto lo hacen ambos extremos de la entrada, las dos ondulaciones que penetran al interior se interfieren entre sí pudiendo llegar a picarse algo la mar dentro si el oleaje es fuerte fuera.

Pero esas olas generadas por difracción también son emitidas hacia el exterior del puerto, interfiriéndose con el oleaje que llega; si este es suficientemente uniforme puede llegar a surgir el curioso fenómeno de "olas estacionarias" siendo esta una ondulación que no se propaga, por lo que sus crestas y senos aparecen siempre en los mismos lugares. Este oleaje estacionario no siempre tiene lugar siendo necesarias determinadas características en la longitud de onda.

II.1.6 Medición en campo. Oleaje y batimetría.

Batimetrías

La batimetría es la medición de las profundidades marinas para determinar la topografía del fondo del mar. Dado que el fondo marino está cubierto por la columna de agua, esta determinación presenta dificultades ya que no se pueden hacer mediciones directas. Por ello, se realizan mediciones indirectas mediante el uso combinado de ecosondas y geoposicionadores satelitales. Las mediciones indirectas son procesadas mediante software especializado para generar mapas del relive submarino (cartas batimétricas). Además de que el conocimiento de la batimetría es esencial para la navegación, también es fundamental para el modelado de la dinámica costera. Particularmente, la batimetría modifica la dirección y altura del oleaje a través del fenómeno de refracción. Nuestra empresa cuenta con equipo especializada para la realización de estudios batimétricos costeros así como amplia experiencia en la realización de dichos estudios.

II.2 Mares.

Un mar es una masa de agua salada de tamaño inferior al océano, así como también el conjunto de la masa de agua salada que cubre la mayor parte de la superficie del planeta Tierra, incluyendo océanos y mares menores.

El término mar también se utiliza para designar algunos grandes lagos salobres, como el mar Caspio, mar Muerto o el mar de Aral. Se habla entonces de mar cerrado o interior.

II.2.1 Origen y clasificación.

La distinción entre mar y océano obedece a diversas causas, sobre todo cuando se habla de mares abiertos en que suele distinguirse atendiendo a la situación geográfica, generalmente enclavada entre dos masas terrestres o, a veces, las menos, a la posición de laplataforma continental. Algunos ejemplos de esto son los siguientes: el mar del canal de La Mancha comunica con el océano Atlántico por elmar Céltico, pero se distingue por su posición entre la costa sur de Inglaterra y la costa norte de Francia. Otro caso muy claro es el mar Mediterráneo, que comunica con el océano Atlántico por el estrecho de Gibraltar y se distingue claramente por estar enclavado entre Europa,Asia y África, al punto de que tiene unas condiciones marítimas muy diferentes (diferentes temperaturas, diferente fauna y flora, y mareas de diferente amplitud). Otro mar abierto, en este caso el de los Sargazos, con su acumulación de algas a lo largo de la Florida, se distingue del océano Atlántico de forma totalmente arbitraria. 


Clases de mares

Existen tres categorías de mares: mares litorales (o costeros), mares continentales y los mares cerrados.
[editar]Mares litorales

Los mares litorales o costeros pueden ser considerados como golfos, muy grandes y ampliamente abiertos, de los océanos. No están separados de éstos por ningún umbral submarino; no obstante se distinguen de ellos por ser, en promedio, menos profundos, por la mayor amplitud de las mareas y la temperatura más elevada de sus aguas. Son mares litorales el mar de Beaufort en el océano Ártico, el mar de Noruega en el Atlántico o el mar de Omán en el Índico, entre otros.

]Mares continentales


Los mares continentales, entre los cuales destaca el mar Mediterráneo, deben su nombre al hecho de hallarse enteramente situados dentro de los continentes, aunque comunicados con los océanos por un estrecho cuya escasa profundidad crea un umbral que dificulta los intercambios; éstos se producen, no obstante, en forma de corrientes de compensación y de descarga. Entre los mares continentales y el océano existen diferencias de temperaturas y de salinidad que llegan a ser considerables. Sus mareas son de tan escasa amplitud que pasan desapercibidas. Además del Mediterráneo, son mares continentales el mar Báltico, el mar Negro y el mar de Japón. En algún caso se habla de mar epicontinental al que se asienta sobre una plataforma continental con su lecho submarino a una profundidad media de 200 m o menos; ejemplos de este tipo son el mar del Norte, o el mar Argentino. Durante el punto máximo de las glaciaciones, los mares epicontinentales desaparecen, pasando a ser solo llanuras de los continentes aledaños.
Mares cerrados

Los mares cerrados suelen ocupar extensas depresiones endorreicas. Corresponden a lagos muy grandes, de agua más o menos salada, entre los cuales destacan el mar Muerto, el mar Caspio y el mar de Aral.

II.2.2 Descripción del método de predicción. Uso de tablas de predicción de marea.


Cómo se predicen las mareas

Las predicciones de mareas se calculan a partir de la serie temporal de datos obtenida por los mareógrafos en años anteriores. Esta serie de datos es ajustada por el método de mínimos cuadrados utilizando el algoritmo de Foreman (Foreman, M.G.G., 1977. Manual for Tidal Heights Analysis and Prediction).


Ecuación de mareas





donde:


a0: nivel medio de referencia establecido

an: amplitud

αn: fase

k: componentes armónicas consideradas y

ωn: frecuencias angulares correspondientes

II.2.3 Correlación de niveles significativos a cuerpos costeros próximos a la estación oceanográfica.

¿Qué son las l aguna s cos t e r a s ? 

Son cuerpos de agua situados a lo largo del litoral. En la mayoría de los casos, man­tienen comunicación permanente con el mar (como Alvarado y Tamiahua); además, tienen una entrada continua de agua dulce proveniente de los ríos. En algunos casos, la boca se llega a cerrar durante cierto tiempo, por causas naturales (como La Man­cha, Ver., por una barrera arenosa). Una laguna costera se define como "un cuerpo acuático semicerrado y situado por debajo del nivel máximo de las mareas más altas, separado del mar por algún t ipo de barrera y con el eje mayor paralelo a la línea de costa" (Lankford, 1977). Además, su comunicación con el mar puede ser permanente o efímera y son el resultado del encuentro entre dos masas de agua de diferentes características. Lo anterior es causa de fenómenos peculiares en su comportamientos físico, químico y biológico, y propios de cada laguna. 
Las  lagunas  costeras  son  lugares  que  funcionan  como  protección,  repro­ducción y al imento para organismos que vienen del mar,  como los peces; por esa  razón,  las  pesquerías  litorales dependen  de  la  presencia  de  lagunas  costeras  y  manglares.  Pero  también  son  sitios  donde  muchos  organismos  viven permanentemente, por  lo que tienen  una gran  importancia pesquera  para  las  l07 comunidades  locales.

II.2.4 Clasificación de corrientes. Corrientes producidas por mareas.



Podemos hablar de cinco grandes grupos de Corrientes:
Oceánicas: Son aperiódicas, como en el caso del Gulf Stream, o con periodos muy largos, como el caso de las monzónicas. Transportan considerables masas de agua a distancias de millares de kilómetros afectando a la capa de agua superficial (primeros centenares de metros).
De marea: Periódicas, diurnas o semidiurnas, y están afectadas por la atracción lunar.
Corrientes que acompañan al oleaje y la marejada: Son las responsables de las grandes modificaciones del litoral en el curso de las tempestades, bajo el efecto de corrientes que pueden alcanzar velocidades de 0,50 m/seg.
Corrientes de turbidez: Coexisten casi siempre con otras corrientes, teniendo una gran influencia en su génesis y extensión, como por ejemplo en las grandes corrientes oceánicas.
Corrientes de densidad: Se deben a la presencia vertical de dos masas de agua con densidades diferentes, de modo que la superior tenga mayor densidad que la inferior y la superficie isobárica sea oblicua, actuando sobre ambas masas la fuerza de coriolis que facilita el desplazamiento de una sobre otra.

II.2.5 Medición de campo.

Radar medidor de corriente y oleaje SM-050

El radar de corriente y oleaje SM-050 es un sensor único por su excelente funcionamiento en la medición del espectro de oleaje direccional mediante tecnología dual doppler y frecuencia dual de microondas para medida de corrientes de superficie. Los datos no son influenciados por las precipitaciones, como la mayoría de radares basados en sensores.
El SM-050 ofrece un funcionamiento comparable a los sensores de oleaje direccional de la más alta calidad integrados en boyas.

Disponible en dos versiones: instalación en plataformas costeras fijas e instalación en estructuras flotantes de movimientos lentos y estacionarios, con uso opcional de compensación del movimiento.

Las mediciones directas de corrientes y olas se realizaron con un correntómetro acústico ADCP RDI de 600 kHz, el cual fue puesto dentro de un soporte metálico para ser anclado al fondo del mar con el transductor mirando hacia arriba a 0,8 m desde el fondo. Este instrumento se configuró para efectuar 60 perfiles de corrientes con una resolución vertical de 0,5 m para luego promediar y registrar las muestras cada 10 min, y por otra parte, efectuó cada 2 h y durante 20 min, 2400 muestras de parámetros de olas. El sensor de presión incorporado en el ADCP permitió efectuar registros de la altura de la columna de agua con la misma resolución temporal de las mediciones de corrientes. Luego este parámetro es utilizado como criterio para seleccionar las capas de aguas que nunca fueron afectadas por las mareas. Finalmente, la columna de agua usada para los análisis de corrientes fue la confinada entre la zona de blanqueo y la penúltima capa observada. Además de eliminar la capa más superficial, de acuerdo con el programa computacional del ADCP, se eliminaron las observaciones de corrientes que presentaron un error mayor a 8 cm s-1 con este tipo de procedimientos se intenta eliminar los posibles datos contaminados debido a la interacción de la señal acústica con burbujas de aire proveniente del oleaje u otro(Teledyne RD Instruments) 

Adyacente al lugar de mediciones costeras, se registró el viento utilizando un anemómetro Campbell Scientific Datalogger CR200, el cual se posicionó a ~10 metros sobre el nivel medio del mar. El anemómetro fue configurado para medir la rapidez y dirección del viento cada 10 s para luego ser promediadas y registradas en intervalos de 5 o 10 min. Las magnitudes de viento inferiores o iguales a 1 m s-1 fueron considerados calmas.




  



  


























1 comentario:

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