Oceanografía física II

1. Oceanografía físicaII Dr. Rafael Blanco Betancourt

2. Práctica I • Introducción a los instrumentos de medición de oleaje y mareas (sensores de presión, correntimetros (principio de Faraday), perfiladores acústicos doppler, ológrafos doppler).

3. Objetivo • Que el estudiante conozca los métodos antiguos y modernos para medir el oleaje y compare entre ambos.

4. Introducción Instrumentos usados para la medición de oleaje y mareas.- La medición de datos de oleaje sirven para un rango amplio de propósitos como: • Determinar las propiedades estadísticas de la climatología local de oleaje. • Calibrar y validar modelos de oleaje y otros procesos oceánicos. • Mejorar el entendimiento de los procesos físicos en la evolución de las olas. • Diseñar y construir adecuadamente obras marítimas en la ingeniería portuaria. (Young, 1999).

5. MEDICIONES DE OLEAJE ANTIGUAS A través del tiempo ha habido grandes cambios en las técnicas utilizadas para la obtención de datos oceanográficos, particularmente las encaminadas a medir oleaje. Medición de altura de oleaje y dirección, primera aproximación. Medidores de oleaje por estadal. Medidores de oleaje por vara.

6. Principios físicos para la medición de corrientes y altura de ola • Ley de Faraday-Henry • Si uno conecta un galvanómetro a una bobina de conductor, sin nada más, el galvanómetro no deberá señalar nada: por allí no circula corriente de ningún tipo. Pero ahora bien, al acercar o alejar un imán de la bobina descubriría un hecho sorprendente: el galvanómetro marcaría una tenue corriente durante este proceso. Esta experiencia, similar a las llamadas experiencias de Faraday, demuestra claramente que existe una relación entre el campo magnético y el eléctrico. • Si en la experiencia anterior uno acerca un imán a la bobina y lo deja ahí vería que el galvanómetro marca corriente mientras el imán se mueve, pero no cuando le dejamos quieto. Este fenómeno constituye la esencia de la ley de Faraday y Henry, que podemos ya enunciar: • En esta ecuación es la fuerza electromotriz inducida y es el flujo magnético que atraviesa la superficie delimitada por el circuito. Así pues la variación del flujo magnético ocasiona la aparición de una fuerza electromotriz. Como el flujo magnético esta variación puede deberse a tres causas diferenciadas o a una mezcla de todas: • Variación del módulo del campo magnético B. • Variación del módulo de la superficie del circuito S. • Variación de la orientación entre ambos. • La variación del flujo magnético induce una fuerza electromotriz. Michael Faraday (1791-1867)

7. Figura 2a. Un movimiento magnético induce una corriente eléctrica en el alambre de cobre. . Figura 2b. El flujo magnético es producto del campo magnético. Figura 2c. El movimiento perpendicular del conductor al campo magnético, genera una fuerza electromotriz por que la fuerza que actúa lleva carga.

8. Sensores de presión • Principio de Doppler Christian Johann Doppler (1803-1853) • El efecto Doppler fue descubierto en 1842 por Christian Johan Doppler y es un efecto de la física ondulatoria que ocurre cuando una fuente en movimiento emite ondas. En esta situación, un observador que esté situado delante de la fuente observará como la frecuencia de las ondas es mayor que la realmente emitida, mientras que un observador situado detrás de la fuente observará una mayor distancia entre los frentes de onda y por lo tanto una menor frecuencia. Cuando escuchamos el sonido de una sirena de un vehículo; recordaremos cómo va cambiando el sonido a medida que el móvil se nos acerca, y especialmente el cambio del tono, en el momento que acaba de pasarnos. Si hubiésemos viajado en el coche no hubiéramos observado este cambio.

9. Lo que ocurre es que el sonido emitido por el coche cambia de frecuencia en el instante en que nos cruza. Este efecto se llama efecto Doppler. Cuando el coche se acerca, la frecuencia es superior a la frecuencia que se hubiera emitido si estuviera parado, y cuando se aleja, la frecuencia es inferior, todo ello debido a que la distancia entre el emisor del sonido y el receptor cambia. Si el coche está parado y emite un sonido, éste va emitiendo sucesivamente los máximos de la onda de presión separados por una distancia igual a la longitud de onda. Cuando el coche se acerca a nosotros y emite un máximo, al cabo de muy poco tiempo emitirá el siguiente, pero la distancia entre los dos máximos será un poco menor debido a que el coche se ha movido, por lo cual la longitud de onda será menor, lo que hace que la frecuencia sea mayor. Cuando el coche se aleja, ocurre exactamente el efecto contrario, la longitud de onda aumenta por lo que la frecuencia será menor (Jordi, 2001).

11. ADCP (acoustic Doppler current profile) makes it possible to measure discharge faster and more accurately than with conventional methods, but it requires more training and knowledge. ADCP transmitts an accoustic "ping" or pulse into the water column. This ultrasonic pulse bounces off small particles of sediment and other material (scatterers) and is echoed back to the ADCP. Upon receiving the returned echo the ADCP's onboard signal processing unit calculates its Doppler shift using a form of auto-correlation. Only radial motion, which is change in distance between the source and receiver, will cause a Doppler shift. Water velocity can be calculated from the Doppler shift knowing the direction of the line between the source (ADCP) and receiver (scatterers).

13. Instalación Figura 4 y 5. Perfilador Acústico Doppler montado en su estructura listo para desplegarse en el medio marino. Figuras 6 y 7 .Recuperación de perfilador acústico doppler y estado de perfilador después de 6 meses de medición continua de corrientes y oleaje en una localidad cualquiera.

14. Boyas oceanográficas Una de las empresas pioneras en instrumentos superficiales para medir oleaje es la compañía Datawell de los países bajos; los cuales manufacturan una boya llamada WAVERIDER. Esta boya posee un acelerómetro diseñado para medir con precisión el desplazamiento vertical de la superficie del mar. El acelerómetro esta montado en una esfera con líquido en su interior en donde permanece vertical trabajando con frecuencias de 0.04 Hz a 0.2 Hz que son las frecuencias típicas de la olas. La información generada por el acelerómetro es doblemente integrada para así recuperar la elevación del perfil de las olas. Hoy en día estos instrumentos tienen la capacidad de transmitir en tiempo real la información generada mediante el uso de transmisores del tipo HF o VHF los cuales tienen un alcance de hasta 20 km (Young, 1999). Figura 8. Ejemplo de una Boya oceanográfica.

15. Referencias • Jordi Lagares, César Córcoles, David Mata y Pere Carrers. Comprensión física de los sistemas multimedia I. Barcelona, Universitat Oberta de Catalunya y Universitat Politécnica de Catalunya, 2001. • Komar, D. P.Beach processes and sedimentation. New Jersey. Prentice – Hall, 429pp. 1976. • The Open University (1999) Waves, Tides and Shallow – Water Processes. The Open University, Walton Hall, and Butter Worth – Heinemann. Second Edition 227 pp. • Young R. Ian (1999) Elsevier ocean engineering book series volume 2; Wind generated ocean waves. Ocean engineering editors. 255 pp. • http://www.sontek.com/ • http://www.rdinstruments.com/