1. Oleaje
El fenómeno del oleaje es un
fenómeno natural del Ecuador y de muchos paises costeros en donde
se lo viene analizando mucho tiempo atrás.
El objetivo de entender a cabalidad el
comportamiento de un oleaje es el de saber su frecuencia e intensidad para que
no afecte al turismo y no haya daños tanto materiales como humanos
1.
Ondas en el mar. Clasificación de las Ondas.
Las ondas oceánicas se pueden
clasificar de diferentes maneras. Una clasificación se basa en sus períodos característicos,
otra en las fuerzas que las perturban o generan.
• Olas de Viento provocadas por el
forzante meteorológico (viento, presión delaire); el mar local y el mar de
fondo pertenecen a esta categoría. Se trata de ondas cortas (ƛ=100 m)
• Tsunamis provocadas por sismos ,
desplazamientos de tierra o erupciones
volcánicas. Estas
ondas se nombran como ondas largas. (ƛ= 100 Km)
• Mareas provocadas por el forzante
astrónomico; estas son siempre ondas largas.(ƛ=10.000 Km)
• Otra
clasificación se basa en la representación en un espectro de frecuencia,
detodas las ondas oceánicas. Distingue entre ondas capilares, ondas
gravitatorias,ondas de largo período, ondas de marea y transmareales (más
largas que marea).
Clasificación de las ondas
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
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.
3.
Aproximación de la onda de Strokes
La primera aproximación, para definir
en forma matemática el movimiento y las características del oleaje, fue
planteada por Airy en 1845, el cual se ajusta a los requerimientos de la
ingeniería hidráulica desde el punto de vista práctico para el diseño de
obras marítimas, esta teoría es también
conocida como teoría de las ondas de
amplitud pequeña, siendo su principal inconveniente que no permite obtener el transporte de masa líquida.
Se supone que el potencial de velocidades cumple con la ecuación
de Laplace, y
tiene aplicación en
aguas profundas e intermedias
aunque se puede definir en
forma aproximada las características del oleaje en aguas someras.
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).
1.
Predicción
del oleaje
En el diseño de obras marítimas, la definición del oleaje
incidente es de gran
importancia, ya que como se vio en los temas anteriores, es lo que
define su altura
del oleaje y resistencia estructural, por lo que al predecir la
altura del oleaje que se
puede presentar en un determinado sitio de estudio, ya sea por un
viento normal o
por la presencia de una perturbación atmosférica, permitirá
definir los posibles daños que se llegaran a presentar en una estructura
especial.
Conforme a lo anterior, es decir a su origen, se puede separar la
predicción del
oleaje en 2 partes, una debido al viento normal y otra debido al
viento originado por perturbaciones atmosféricas.
a)
Predicción del oleaje por vientos normales
Los métodos de predicción permiten obtener la altura y periodo del
oleaje a partir
de las características del viento que lo generan, así mismo se
puede decir que
dicho oleaje pasa por 2 zonas, una denominada zona de generación y
la otra
denominada zona de decaimiento; la primer zona está limitada por
el FETCH, que
en realidad es la longitud donde el viento tiene una acción
directa sobre la superficie libre del agua; la segunda zona está delimitada en
el límite del FETCH y
donde inicia la zona de aguas intermedias.
De acuerdo a lo anterior se han realizado diversas investigaciones
para la
predicción de oleaje, las cuales se pueden clasificar de la
siguiente manera:
1. Fórmulas empíricas
Relacionan directamente la altura y el periodo del oleaje
con la velocidad del viento y/o la longitud del FETCH; estos
métodos son poco
confiables por lo que no se verán en el curso.
2. Ola significante
Relaciona la altura de la ola significante (H1/3) y el periodo
significante (T1/3), con la velocidad y duración del viento, así
como la longitud del
FETCH. Uno de los métodos de mayor aplicación es el propuesto por
Sverdur-
Munk-Bretschneider (SMB), el cual se aplica a la condición de
aguas profundas
y es el más utilizado en problemas de ingeniería.
3. Método del espectro de
energía Predice las características del oleaje,
utilizando la teoría del espectro siendo el método más
característico el de
Pierson-Neumann-James (PNJ).
b)
Predicción del oleaje en la zona de
generación
Método de Sverdur-Munk-Bretschneider. Los
investigadores elaboración unateoría que sirve para predecir el oleaje en aguas
profundas, suponiendo que el
viento es constante y sostenido. Los autores consideran que los
principales
parámetros para la generación de las olas en esta zona son:
Velocidad del viento formativo (U)
Duración (t);
Fetch (F);
Aceleración de la gravedad (g).
Predicción del oleaje en la
zona de decaimiento.
Los siguientes factores influyen en el decaimiento del oleaje:
1. La diferencia entre las celeridades de las ondas provoca una
dispersión de
la energía, ocurre en la dirección de propagación del oleaje.
2. La pérdida de energía por fricción y turbulencia provoca un
rápido
decaimiento en las ondas de menor periodo y mayor esbeltez.
3. Hay una transferencia de energía de las ondas de periodo corto
a las de
periodo largo
4. Una disipación de energía ocurre transversalmente a la
dirección de
propagación.
Los tres primeros factores ocasionan la desaparición de las ondas
pequeñas y
como consecuencia de ello existe una preponderancia de las ondas
con longitud
mayor.
Al salir el oleaje de la zona de generación deja de estar bajo la
acción del viento y a
medida que avanza, la apariencia caótica que presentaba tiende a
desaparecer.
Esto último es debido a dos efectos:
a) Diseminación angular. Al salir de la zona de generación, los
diferentes
componentes del oleaje avanzan en diferentes direcciones y, por
tanto, se
separan a medida que se alejan de la zona donde fueron generadas.
b) Dispersión. Dado que cada ola tiene una celeridad propia que
depende del
periodo, las de mayor periodo avanzan más rápido y se separan de
las
restantes.
El oleaje en la zona de decaimiento se caracteriza por tener crestas
planas y
regulares a este oleaje se le llama swell.
La longitud de la zona de decaimiento se obtiene siguiendo la
línea del fetch y está
limitada por la zona de generación y la frontera entre aguas
profundas e intermedias, frente al sitio de estudio.
c)
Predicción del oleaje en aguas intermedias y
someras.
Las
ondas generadas en aguas intermedias y someras deben ser, generalmente, e menor
altura y periodo en comparación con las generadas en aguas profundas.Se han
desarrollado algunos estudios sobre el decaimiento del oleaje en aguas poco
profundas, pero los resultados obtenidos no son completamente satisfactorios.La
predicción del oleaje en aguas someras se aplica a lagos y bahías con
profundidad
constante.
2.
Fenómenos del oleaje
Las olas se desplazan más lentamente a medida que es
menor la profundidad del agua y en aguas de profundidad variable, las olas
situadas en aguas menos profundas disminuyen de velocidad, mientras que las que
se hallan en aguas más profundas la aumentan. Las olas se inclinan hacia las
aguas menos profundas y este movimiento recibe el nombre derefracción. Debido a
las distintas profundidades del fondo del océano, las trayectorias de la
refracción de olas pueden ser muy complicadas. Además las olas que llegan a las
islas pueden ser refractadas y después reflejadas en una dirección
completamente distinta. El fenómeno de reflexiónes
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
a)
Rompientes
La ola se hace
inestable cuando su pendiente H/L es igual o mayor que 1/7. En ese caso la
velocidad de las partículas en la parte alta de la ola excede a la propia
velocidad de la ola provocando un desbordamiento por la parte delantera de la
ola, produciendo "rociones".
a) Refracción en las olas
A medida que las olas se acercan a la costa, el fondo afecta
a su velocidad, de manera que la forma del frente de ola se va adaptando a la
forma del litoral.
Si hay un islote, las olas le rodean, llegando a encontrarse
de frente por detrás de él.
b)
Difracción.
La difracción se analiza con los mismos principios
de difracción de la luz y el sonido. De acuerdo con el Principio de Huygens
cada punto de un frente de ondas puede considerarse como una fuente de nuevas
olas. Este fenómeno puede producir aumentos importantes en las amplitudes de
las olas que entran a los puertos.
Si H es la amplitud de la ola, inmediatamente antes
de entrar al puerto y Hi es la amplitud de la ola en un sitio determinado
dentro del puerto, entonces el coeficiente de Difracción, Ki es:
Ki = Hi / H
El coeficiente Ki puede ser mayor que 1 en algunos
sitios dentro del puerto y menor que 1 en otros.
.
El fenómeno
de la difracción es por comparación con la de la luz fácil de
comprender, se trata del fenómeno merced al cual si en una habitación oscura
hay un orificio en una pared, vemos desde dentro la luz exterior desde
cualquier lugar en que podamos divisar el agujero aunque no estemos enfrente de
él.
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.
Cuando el
oleaje se encuentra con una corriente marina de sentido contrario al de
propagación de las olas; la velocidad de propagación de las mismas disminuye,
al mismo tiempo que se hacen más cortas y más altas. La consecuencia es que
aumenta la pendiente del oleaje, apareciendo la mar con crestas que rompen
(borreguillos).
Para poderse
dar una idea de la ganancia en altura que adquieren las olas, en estos casos,
baste decir que sólo con que la corriente marina contraria sea de 2 a 5 nudos
de velocidad, la altura de las olas aumenta entre un 50 y un 100 por ciento.
Así por ejemplo que si la altura del oleaje es de alrededor de 3 mts., una
corriente contraria de 2 a 5 nudos le hace aumentar hasta alcanzar valores
entre 4½ mts. y 6 mts.
En
consecuencia, basta que este bajando la marea, para que las olas que llegan a
la costa aumenten notablemente de tamaño.
Por el contrario,
en el caso de que el oleaje alcance un área donde haya una corriente marina de
su misma dirección y sentido, las olas adquieren una velocidad de propagación
mayor, se hacen más rápidas, aumenta su longitud y disminuye su altura,
haciéndose menos abrupta, más tendidas y por tanto más estables.
De esta
forma, el oleaje que se propaga hacia la costa se hace más tendido, más largo y
menos veloz durante la pleamar.
1.
Medición en campo. Oleaje y
batimetría
Batimetría
La batimetría es la ciencia
que mide las profundidades marinas para determinar la topografía del fondo del
mar, actualmente las mediciones son realizadas por GPS diferencial para una
posición exacta, y con sondadores hidrográficos mono o multihaz para determinar
la profundidad exacta, todo ello se va procesando en un ordenador de abordo
para confeccionar la carta batimétrica.
Una Carta
batimétrica es un mapa que representa la forma del fondo de un cuerpo de agua,
normalmente por medio de líneas de profundidad, llamadas isobatas, que son las
líneas que unen una misma profundidad, las líneas isibáticas son los veriles
que nos indican la profundidad en las cartas de navegación.
2.
Mares
y su Clasificación
Son movimientos oscilatorios del nivel del mar, debido a las
fuerzas de atracción gravitacional que la Luna y el Sol ejercen sobre las
partículas líquidas de los océanos.
El comportamiento de las
mareas y el desnivel de las mismas dependen
de la posición relativa de
la Tierra, el Sol y la Luna, que cambia cada día, y de la proporción
mares-tierra (3:1), de su distribución geográfica, de la topografía local, de
la profundidad de las cuencas oceánicas, de los fenómenos meteorológicos y
otros factores.
El estudio de las mareas nos permite definir la altura de las
estructuras marítimas,
de acuerdo al uso que se les dará, además de conocer en que grado
se puede
beneficiar un determinado lugar al definir los niveles de pleamar
y bajamar, gracias
al flujo y reflujo de la corriente marítima y al aumento del
calado en determinadas
horas
Existen
dos tipos de fenómenos que producen las mareas, uno es el viento
sostenido a alta velocidad, como es el caso de los vientos producto de
perturbaciones atmosféricas (ciclones,
huracanes, tormentas tropicales, etc.) y el toro debido a las atracciones
de los cuerpos celestes, combinados con la rotación bde la tierra.
Las mareas producidas por
el primer tipo de fenómeno se denominan mareas de viento y para calcularlas
se requiere de la solución de ecuaciones diferenciales que contemplan la
probabilidad de las perturbaciones meteorológicas, como se puede estudiar en el fascículo A.2.13 del
Manual de Diseño de Obras Civiles de la C.F.E.
En el tiempo de luna nueva y llena, la atracción producida por la
luna ocurre en la
misma dirección que la producida por el sol, por lo que estas
mareas tienen una
amplitud mayor que ninguna otra y se denominan mareas vivas. Las mareas que
tienen la menor amplitud, son conocidas como mareas muertas, las cuales ocurren en el primer y tercer cuarto de
la luna
Para referenciar las estructuras marítimas, antes mencionadas, se
definen a
continuación los niveles que deben ser observados:
1)Nivel Medio del Mar (N.M.M.).- es el nivel promedio de la S.L.
mar o
promedio de las alturas horarias registradas en el período de
estudio.
2) Nivel de Pleamar Media Superior (N.P.M.S).- es el promedio de
las más
altas, de las 2 pleamares diarias registradas en el periodo de
estudio.
3) Nivel de Pleamar Media (N.P:M).- es el promedio de todas las
pleamares
registradas en el periodo de estudio. Cuando la marea es diurna
este plano
o nivel se calcula tomando el promedio de las pleamares diarias,
lo que
equivale a que la pleamar media coincida con la pleamar media
superior.
4) Nivel de Bajamar Media Inferior (N.B.M.I.).- es el promedio de
las más bajas,
de las dos bajamares diarias registradas en el periodo de estudio.
Este nivel
se usa como plano de referencia en la costa del pacifico y golfo
de
California.
5) Nivel de Bajamar Media (N.B.M).- es el nivel promedio de todas
las
bajamares registradas en el periodo de estudio cuando la marea es
diurna.
N.B.M=N.B.M.I.
6) Nivel de Media Marea (N.m.m).- es el plano equidistante entre
el nivel de
pleamar medio y
el nivel de bajamar media
Equipo de
Medición
Para mediciones no mayores de 3 meses se utiliza una scala
graduada o regla y para estaciones definitivas se utilizan limnígrafos o mareógrafos.
Tiene un juego de poleas accionado por un flotador que mueve a un cilindro
montado en un mecanismo de relojería.
9. 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).
10.
Tipos de corriente
La corriente puede ser entendido como un movimiento continuo o bien como
algo que es aceptado como normal, regular. De todos modos, su definición
precisa queda supeditada a la disciplina a la que se lo aplique.
Los distintos tipos de corriente son:
Corriente eléctrica: en este concepto se hace
referencia al movimiento de electrones por medio de un circuito eléctrico, siendo
este último cerrado. El desplazamiento es siempre desde un polo con carga
negativa a uno que posea carga positiva. Dicho concepto también puede ser
aplicado para la circulación de cargas en el espacio.
Corriente marina: en la oceanografía las
corrientes hacen referencia a una gran cantidad de agua que se desplaza en los
océanos, siempre siguiendo una determinada ruta de manera fija. Son también
conocidos como ríos en el mar.
Según el origen de la corriente pueden ser clasificados en cuatro:
Según el origen de la corriente pueden ser clasificados en cuatro:
- Corriente de marea: son producidas por los
cambios en el nivel del mar por la luna y el sol. Su velocidad suele ser
muy importante, en ciertas costas puede ser incluso muy peligroso. Sin
embargo no sucede lo mismo en altamar, ya que pasan desapercibidas.
- Corriente por arrastre: estos movimientos en
las masas de agua son provocados por vientos que soplan de manera
constante sobre las mismas.
- Corriente por densidad: este tipo de corrientes
se produce por la diferencia que existe tanto en el nivel de sal y de
temperatura entre distintas masas de agua, que provocan dicho cambio en la
densidad.
- Circulación en el océano: en este caso el
movimiento del líquido es debido a la conjunción de las corrientes de
arrastre y densidad.
11. Medición de campo
Estudios
de las Mareas
Uno de los correctores más importantes de los datos
hidrográficos son los niveles de las mareas y del agua. TerraSond instala y
opera estaciones de mareas mientras realiza trabajos de mediciones remotas,
para medir el nivel de las mareas y del agua. Los datos de las estaciones
pueden registrarse localmente o transmitirse por medio de telemetría o un
sistema GOES (Satélite Ambiental Operativo Geoestacionario) de NOAA
(Administración Nacional Oceánica y Atmosférica) para revisar y controlar la
calidad. Se computan los datos, se ajusta la zona de las mareas en base a las
mediciones y se recogen las zonas finales y los reductores de mareas antes de
dejar la zona de medición.
a)
Mareómetro
- Mareógrafo Aanderaa, llamados también mareógrafos de presión, obtienen el nivel del mar a
partir de la medida de la presión
hidrostática. Esta medida esta
influenciada por la presión atmosférica y es necesario, a no ser que el
propio medidor lo realice, efectuar la corrección correspondiente.
- Mareógrafo Sonar, llamado también acústico SONAR usa el principio de medición de
distancia por el eco de un sonido. Suele estar compuesto por un emisor -
receptor de ultrasonidos colocado a una distancia de la superficie del agua
y mediante la medición del tiempo que tarda en llegar el eco de una señal
que ha mandado determina el nivel de la marea. Este dato, junto con la
fecha y la hora es guardado o enviado a un sistema de análisis.
- Estaciones Mareográficas, situadas en diferentes
puntos, puertos, canales, alta mar..., que están compuestas por el
mareógrafo (a menudo este forma parte de una estación meteorológica más
completa) y los equipos de alimentación y transmisión. Las medidas están
referenciadas con sistemas locales y globales.
- Centro de tratamiento de datos, de donde se reciben
los datos enviados por lo mareógrafos y pasan los procesos determinados en
los protocolos.
- Banco de datos, donde se guardan los registros de
todos los datos obtenidos y los históricos donde los organismos implicados
y otros pueden hacer uso de ellos.
- Distribución de productos, una vez analizados y guardados lo datos se pueden distribuir en forma de diferentes productos de información de interés general, tanto a instituciones públicas como privadas, por ejemplo se pueden obtener productos como los siguientes,Predicción astronómica,
-
Medición de las mareaPara medir los niveles de las mareas con el propósito de estimar su potencialse ha de tener en cuenta que el océano está sometido a diversas fuerzas, como las influencias gravitatorias de los astros, los vientos predominantes, la densidad variable de las masas de agua, etc. Además se ha de considerar que el nivel del mar es diferente en los distintos océanos: es más alto en a costa el Océano Pacífico que en la del Atlántico, diferencia que puede deberse a la menor densidad del agua del Pacífico, e influye en la intensidad de las mareas.Aunque las mediciones de las mareas pueden llevarse a cabo de una manera muy simple, por ejemplo, utilizando una regla graduada en un lugar poco profundo de la costa, en la actualidadse cuenta con métodos demayor precisión, y se han construido dispositivos de medición llamados mareógrafos (figura23.5), los cuales pueden estar colocados en los buques oceanográficos o en boyas para registrarlos cambios de marea.Las mediciones de las mareas permiten calcular su frecuencia y magnitud, con lo cual pueden efectuarse estimaciones de su comportamiento. Hasta hace pocos años, los aparatos para predecir las mareas eran mecánicos; ahora se utilizan computadoras electrónicas que hacen el trabajo de manera más rápida y eficiente y se programan para que impriman automáticamente las tablas de marea.
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