Download Observación de los efectos de las mareas

Seminario de Posgrado 2011 “Efectos de las mareas terrestres: observación y modelado” – Prof. Andreas Richter
La observación de efectos de las
mareas terrestres
Ignacio Redin
Maestría en Geomática - 2011
La observación de efectos de las mareas terrestres
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Introducción
Motivos para la observación de la señal de mareas
Requerimientos de la observación de mareas
Efectos, métodos e instrumentos
Efectos perturbadores y exigencias a la configuración
de observación
¿Cuál es el efecto mejor determinado por observación?
La observación de efectos de las mareas terrestres
1. Introducción
La observación de efectos de las mareas terrestres
1. Introducción
•
•
Los efectos de las acciones del Sol y de la Luna sobre la Tierra son perfectamente
medibles.
El resultado es:
Variación permanente y periódica de la gravedad (magnitud y dirección)
Variación de las superficies equipotenciales
Variación de la superficie terrestre
Variación periódica del nivel del mar
La observación de efectos de las mareas terrestres
1. Introducción
Disminuye la aceleración de la gravedad
Se desvía la vertical local
Se deforma la corteza
Cambia el nivel del mar
La observación de efectos de las mareas terrestres
1. Introducción
• Las manifestaciones más importantes son:
Grandes desplazamientos de masa (mareas oceánicas)
Variaciones del potencial terrestre
Modificaciones en la velocidad de rotación de la Tierra
Modificaciones en la posición del eje principal de inercia de la Tierra
La observación de efectos de las mareas terrestres
2. Motivos para la observación
•
La observación experimental de la señal de mareas
permite adquirir
Conocimientos de las propiedades físicas del interior de la Tierra incluyendo
varios fenómenos geodésicos y geofísico.
entrega información
Estudio de fenómenos geodinámicos de distintas disciplinas
Geología
Geofísica
Geodesia
Oceanografía
Astronomía
La observación de efectos de las mareas terrestres
2. Motivos para la observación
•
En física interior de la Tierra
- Determinación experimental de los números de Love
- Confirmación de modelos terrestres
- Estudio de las oscilaciones posteriores a grandes sismos
- Investigación de la deriva (no instrumental) de los registros gravimétricos, clinométricos y
extensiométricos
- Vigilancia de zonas de riesgo por actividad sísmica volcánica
- Estudio de tectónica de placas
- Efectos sobre depósitos subterráneos de agua , petróleo, lava
La observación de efectos de las mareas terrestres
2. Motivos para la observación
•
En gravimetría
Correcciones muy precisas de mareas y de carga oceánica en perfiles microgravimétricos
para distintas aplicaciones (geodésicas, búsqueda de recursos)
• En dinámica espacial
Dos tipos de correcciones:
Deformación radial de la Tierra
(amplitud entre 30 y 40 cm.)
Posición de un satélite respecto al centro de masa de la Tierra
(amplitud de decenas de metros)
La observación de efectos de las mareas terrestres
2. Motivos para la observación
•
En astronomía
Variaciones rotacionales
Movimientos del polo
Modificaciones del eje de inercia
Determinación de desviaciones en aparatos de observación astronómica
ligados a la corteza terrestre
La observación de efectos de las mareas terrestres
2. Motivos para la observación
•
En oceanografía
Efecto de atracción de masas
Cambios en la gravedad y en la vertical por el traslado
periódico de grandes masas por marea oceánica
Deformación de la Tierra
Por el peso de la masa de agua en movimiento
Se transmite a grandes distancias y profundidades
Reacción a los efectos anteriores
Es de origen oceánico
Consiste en un ajuste de masas
Nuevos y mejores datos
con la incorporación de mareógrafos de profundidad y mediciones desde satélites
La observación de efectos de las mareas terrestres
3. Requerimientos para la observación
•
La marea terrestre es el único fenómeno geofísico por el que las fuerzas actuantes
(atracción lunisolar) son conocidas de antemano en frecuencia y amplitud.
•
El objetivo del análisis de las observaciones es determinar la respuesta del globo
terrestre para cada frecuencia de las fuerzas actuantes.
•
El proceso del análisis armónico de la marea terrestre debe tener en cuenta la
posibilidad de ruidos y derivas irregulares y separarlos cuidadosamente de las
componentes de marea.
•
La estructura fina del espectro puede ser obtenida solamente a partir de muy
extensos registros.
La observación de efectos de las mareas terrestres
3. Requerimientos para la observación
•
Deben resolverse claramente varios problemas:
Determinar qué componentes de marea pueden ser separadas según una
longitud de registro considerada.
Reconstruir, a partir del espectro teórico, las componentes homologas a esos
grupos según los datos del análisis experimental.
Tener las mejores constantes astronómicas fundamentales (por ejemplo: la
masa de la Luna)
Estar seguros de que los instrumentos son correcta y regularmente calibrados
durante el período de registro.
Verificar las condiciones de independencia de la medida respecto a los factores
ambientales; presión atmosférica, temperatura, shocks, campo magnético, etc.
La observación de efectos de las mareas terrestres
3. Requerimientos para la observación
•
Los efectos a medir son muy pequeños y se producen en escalas de tiempo que van
de segundos a años
Entonces, un registro de observación debe proveer:
ALTA SENSIBILIDAD
Resolución acorde a las amplitudes de cada efecto
(ej.: en gravimetría hasta 10-11)
ALTA ESTABILIDAD
Debe tener muy bajos valores de deriva instrumental
(ej.: en gravimetría hasta 10-8/año)
La observación de efectos de las mareas terrestres
3. Requerimientos para la observación
•
La información que ofrece al estudio de distintos fenómenos la observación de los
efectos de las mareas terrestres, depende en gran parte de la continuidad de los
registros que deben extenderse por décadas.
•
Dicha continuidad permite disponer de las longitudes de registro necesarias para
poder separar las distintas componentes de marea.
•
Se suele aceptar como norma de seguridad que las componentes son solamente
separables cuando su diferencia de fases alcanza los 360°.
La observación de efectos de las mareas terrestres
3. Requerimientos para la observación
• Longitudes de registro
Utilizando los número de Doodson:
Si tienen el primer digito diferente se pueden separar componentes
diarias de semidiarias.
Si tienen el primer digito igual
y difieren en el segundo por una unidad,
se pueden separar componentes dentro de un mes (M2 de N2 y L2)
y si difieren en el segundo digito por dos unidades,
pueden separarse dentro de medio mes (N2 de S2)
La observación de efectos de las mareas terrestres
3. Requerimientos para la observación
Longitudes de registro
Utilizando los número de Doodson:
Si tienen los dos primeros dígitos iguales
Por ejemplo, en el grupo 27
las componentes T2 + S2 + R2 pueden ser separadas de K2 con seis meses de datos,
mientras que se necesita un año completo para separar S2 de T2 y R2.
La componente K2 es en sí misma una combinación de tres componentes que solo podrían ser
separadas con dieciocho años de observación.
La observación de efectos de las mareas terrestres
4. Efectos, métodos e instrumentos
•
La investigación experimental de las mareas terrestres, exige el estudio simultáneo de las dos
componentes vertical y horizontal, ésta última, descompuesta a su vez en las componentes Norte –
Sur y Este – Oeste.
Componente vertical  Variaciones periódicas de la gravedad
Se determina con gravímetros registradores de alta sensibilidad.
Componente Horizontal  Desviaciones periódicas de la vertical (inclinación – Tilt)
Se determina por medio de los denominados clinómetros (Tiltmeters).
Deformaciones lineales y corticales  Desplazamientos relativos de la corteza (Strain)
Se determina mediante la utilización de extensómetros (Strainmeters).
•
Las observaciones de las mareas terrestres incluyen los efectos de las mareas oceánicas que están
compuestas por los efectos de la atracción directa sobre el océano y los efectos que se producen
por la carga de las masas de agua.
Efectos directos sobre el océano  Variaciones periódicas del nivel del mar
Son determinados por medio de distintos tipos de mareógrafos.
La observación de efectos de las mareas terrestres
4. Efectos, métodos e instrumentos
Gracias a los dispositivos electrónicos de que van dotados, pueden alcanzar una
resolución muy elevada, pero que en la práctica está limitada por las
perturbaciones de otros parámetros sobre el instrumento y lo que es más difícil de
conocer, sobre el propio medio en el que está instalado. Resulta fundamental la
investigación sobre el modelado de estos efectos indirectos.
La observación de efectos de las mareas terrestres
4. Efectos, métodos e instrumentos
•
Gravímetros:
Modulo de la componente vertical
Medidas absolutas  Se determina el valor total de la aceleración de la gravedad
en el punto de observación.
Medidas relativas  Se determinan los valores de la gravedad en instante de
tiempos distintos para detectar variaciones de cortos y de largos períodos con
respecto a un valor absoluto conocido que se toma como referencia.
La observación de efectos de las mareas terrestres
4. Efectos, métodos e instrumentos
•
Gravímetros relativos:
Son los utilizados para la observación de las mareas terrestres
De resortes:
El principio consiste en una pesa actuando sobre un resorte en el que se
mide el alargamiento del mismo producido por las variaciones de la
gravedad.
La resistencia del resorte debe ser calibrada ubicando el instrumento en
un punto con una aceleración gravitacional conocida.
La observación de efectos de las mareas terrestres
4. Efectos, métodos e instrumentos
Tipo LaCoste y Romberg
Tipo Worden
La observación de efectos de las mareas terrestres
4. Efectos, métodos e instrumentos
Gravímetros relativos:
Gravímetro Lacoste y Romberg instalado en la FCAGLP - UNLP
La observación de efectos de las mareas terrestres
4. Efectos, métodos e instrumentos
•
Gravímetros relativos:
Súper conductor: consiste en la
levitación de una pequeña esfera de
niobio en condiciones de súper
conductividad en un campo magnético
permanente a -268° C. Un cambio en la
gravedad induce al movimiento vertical
de la esfera que para mantenerse en el
lugar cero necesita un voltaje de
retroalimentación que será proporcional
al cambio de gravedad.
Alcanza niéveles extraordinarios de
exactitud de hasta 0,001 μGalque
corresponde a un cambio en la
altitud en la superficie terrestre de
0.03mm.
La observación de efectos de las mareas terrestres
4. Efectos, métodos e instrumentos
•
Gravímetros absolutos:
Trabajan midiendo la aceleración
de una masa en caída libre a través
de un vacío mientras un
acelerómetro está fijo en el suelo.
La masa incluye un retro reflector
el cual atraviesa el haz de un
Interferómetro Michelson. Se
puede medir la velocidad de la
masa contando los tiempos de las
interferencias. Esto permite evitar
algunos errores de lectura. Los
gravímetros absolutos se utilizan
para calibrar los gravímetros
relativos y para establecer una red
de control vertical.
La observación de efectos de las mareas terrestres
4. Efectos, métodos e instrumentos
Los gravímetros relativos de resorte permiten la determinación de entre 10 y 20
componentes de marea con una observación de entre cuatro y seis meses.
Los gravímetros relativos superconductores pueden resolver más de 40 componentes.
La observación de efectos de las mareas terrestres
4. Efectos, métodos e instrumentos
•
Gravímetros:
Deriva Instrumental
Los gravímetros muestran que con el tiempo la posición de equilibrio se va desviando.
Las lentas variaciones de las condiciones instrumentales de cualquier origen (reológico,
térmico, molecular) actuando sobre los componentes mecánicos producen la
denominada deriva.
Debe hallarse la deriva en cada proceso de medición, para el período de tiempo
correspondiente y aplicar la corrección necesaria.
La deriva instrumental de un gavímetro superconductos es del orden de los 10 nms-2/año.
La observación de efectos de las mareas terrestres
4. Efectos, métodos e instrumentos
•
Gravímetros:
Calibración
La calibración de un registro gravimétrico
puede realizarse por métodos absolutos y
relativos.
Una calibración relativa se realiza por medio de
una registración paralela comparándola
con la de un gravímetro ya calibrado o con
registros de una estación con parámetros
de marea conocidos.
La calibración absoluta se realiza en laboratorio
por medio de una línea de calibración y la
registración paralela con un gravímetro
absoluto. Las precisiones logradas son de
0,1 %.
La observación de efectos de las mareas terrestres
4. Efectos, métodos e instrumentos
•
Clinómetros:
Los clinómetros miden la inclinación de la superficie terrestre respecto de la vertical
local.
Son necesarios dos sensores perpendiculares trabajando mutuamente para determinar
la inclinación. Usualmente son orientados en las direcciones Norte – Sur y Este – Oeste.
Las deformaciones de este tipo provocadas por las mareas son del orden de 10-8 y 10-7,
en períodos cortos (hasta un día) que corresponden a inclinaciones de 0,002 a 0,02”.
La sensibilidad instrumental debe ser de al menos 10-9 a 10-10 , y la estabilidad en el
tiempo debe ser mejor que 10-7/año.
La observación de efectos de las mareas terrestres
4. Efectos, métodos e instrumentos
•
Clinómetros:
Péndulos simples o verticales
A: con transformador diferencial
B: con sensor de efecto Hall
La observación de efectos de las mareas terrestres
4. Efectos, métodos e instrumentos
•
Clinómetros:
Péndulos horizontales
Verbaandert - Melchior
La observación de efectos de las mareas terrestres
4. Efectos, métodos e instrumentos
•
Clinómetros:
De burbuja
La observación de efectos de las mareas terrestres
4. Efectos, métodos e instrumentos
•
Clinómetros:
De agua
La observación de efectos de las mareas terrestres
4. Efectos, métodos e instrumentos
Registro Clinómetro AGI-5374 en la Estación Aula de la Naturaleza (España)
La observación de efectos de las mareas terrestres
4. Efectos, métodos e instrumentos
La observación de efectos de las mareas terrestres
4. Efectos, métodos e instrumentos
•
Extensómetros:
Estos instrumentos miden los desplazamientos relativos de la corteza terrestre.
Deben orientarse en diferentes direcciones espaciales, aunque en la mayoría
de los casos solamente se instalan extensómetros horizontales, en un mínimo de
tres a 120°.
La observación de efectos de las mareas terrestres
4. Efectos, métodos e instrumentos
•
Extensómetros:
Se tiene un extremo fijo a la roca y otro libre donde se sitúa un captador de
desplazamiento que mide las deformaciones.
Plantea muchos problemas en cuanto a la estabilidad por la temperatura.
Se instalan en tuéneles en donde se elimina la influencia de las variaciones estacionales de temperatura.
Se construyen con materiales que poseen bajos coeficientes de dilatación
térmica (barra de acero invar, tubo de cuarzo, hilo de invar o de inox)
Las deformaciones de este tipo provocadas por las mareas son del orden de 10-8 y 10-7, en períodos cortos
(hasta un día) que corresponden a inclinaciones de 0,01 a 0,1 μm/m
La sensibilidad instrumental debe ser de al menos 10-9 a 10-10 , y la estabilidad en el tiempo debe ser mejor
que 10-7/año.
La observación de efectos de las mareas terrestres
4. Efectos, métodos e instrumentos
•
Extensómetros
Horizontal de barra o tubo
La observación de efectos de las mareas terrestres
4. Efectos, métodos e instrumentos
•
Extensómetros:
De hilo
La observación de efectos de las mareas terrestres
4. Efectos, métodos e instrumentos
•
Mareógrafos:
Son los instrumentos que se utilizan para la medición de las variaciones del nivel del mar.
Tres métodos de medición:
Sobre la costa (mareógrafos de flotador, de presión, acústicos
y de radar)
Mar abierto (sensores de presión de aguas profundas)
Satelital (sensores altimétricos montados sobre plataformas
satelitales)
La observación de efectos de las mareas terrestres
4. Efectos, métodos e instrumentos
•
Mareógrafos:
Sobre la costa
Técnicamente más sencillo
Puede introducir distorsiones locales (corrientes, oleaje, topografía)
Es muy importante la selección del lugar más conveniente
(aguas relativamente profundas, apartado de efectos locales, fácil
acceso, proximidad a una referencia permanente, facilidad de
instalación de los instrumentos)
La observación de efectos de las mareas terrestres
4. Efectos, métodos e instrumentos
•
Mareógrafos:
De flotador
la polea del flotador mueve la pluma que registra los datos, pero esta
misma polea puede accionar un codificador de eje o un potenciómetro, cuya señal se
puede registrar en un sistema local de almacenamiento de datos
La observación de efectos de las mareas terrestres
4. Efectos, métodos e instrumentos
•
Mareógrafos:
De presión
La presión del aire del sistema será igual a la presión ejercida por la profundidad del agua por encima del orificio de purga más la
presión atmosférica. Un instrumento de registro de la presión conectado al extremo de tierra firme del tubo de suministro de aire
registrará los cambios del nivel del agua como cambios de presión.
La observación de efectos de las mareas terrestres
4. Efectos, métodos e instrumentos
•
Mareógrafos:
Acústico
Los mareógrafos acústicos dependen de la capacidad de medir el tiempo de propagación de los pulsos acústicos reflejados
verticalmente desde la superficie del mar.
La observación de efectos de las mareas terrestres
4. Efectos, métodos e instrumentos
•
Mareógrafos:
De radar
La parte activa del medidor está instalada sobre la superficie del agua y mide la distancia desde este punto hasta la interfase aire-mar.
La observación de efectos de las mareas terrestres
4. Efectos, métodos e instrumentos
•
Nivel del mar:
En mar abierto
Se trata de sistemas muy sofisticados que
incluyen varios tipos de sensores y
dispositivos para la observación de distintos
parámetros directamente instalados en el
fondo del océano.
Permiten la obtención de datos en zonas
donde no es posible llegar con otro tipo de
instrumentos.
El nivel del mar se registra por medio de
sensores de presión especiales para aguas
profundas que alcanzan una resolución de
0.01m en profundidades mayores a 4000m.
La observación de efectos de las mareas terrestres
4. Efectos, métodos e instrumentos
• Nivel del mar:
Altímetros en satélites
Se mide la distancia entre la antena del
satélite y la superficie del mar. Se computa
la posición y altura del satélite. La altura de
la superficie del mar se computa referida a
un elipsoide.
Un altímetro ‘mide’ una altura de nivel
del mar desde 1500 km. con un error
máximo de 5 cm
Una revolución del altímetro lleva aprox. de 100
a 115 minutos, dependiendo de la altura del
satélite (800-1350 km.).
Un altímetro completa 13-14 revoluciones por
día.
La observación de efectos de las mareas terrestres
4. Efectos, métodos e instrumentos
• Nivel del mar:
Altímetros en satélites
A diferencia del uso de los mareógrafos, esta técnica permite obtener datos de toda la superficie oceánica, sin limitarse a unos
pocos puntos en la costa. Sin embargo, en las zonas costeras, las mediciones sobre el nivel instantáneo del mar se ven
contaminadas por rebotes de la señal en zonas terrestres, por lo que su uso requiere de un trabajo adicional de post-proceso
llamado retracking.
La observación de efectos de las mareas terrestres
4. Efectos, métodos e instrumentos
Altímetros en satélites
La observación de efectos de las mareas terrestres
5. Efectos perturbadores y exigencias a la
configuración de observación
•
Tres efectos perturbadores principales:
Topo-geológicos
Meteorológicos
Hidrológicos
La observación de efectos de las mareas terrestres
5. Efectos perturbadores y exigencias a la
configuración de observación
•
Efectos Topo-geológicos:
Topografía: son menores en áreas llanas
Cavidad: se acoplan los efectos sobre la inclinación y las
tensiones
Inhomogeneidad lateral: deben tenerse en cuenta las
formaciones geológicas circundantes
La observación de efectos de las mareas terrestres
5. Efectos perturbadores y exigencias a la
configuración de observación
•
Efectos meteorológicos:
La influencia de la presión atmosférica sobre:
La gravedad: la carga atmosférica se opone a la atracción lunisolar
La inclinación: afectan principalmente a inclinómetros cerrados de
péndulos horizontales
Las deformaciones: se ven afectados fuertemente los extensómetros
verticales
•
Efectos meteorológicos:
La influencia de la temperatura: mayor sobre los instrumentos de metal
que sobre los instrumentos de cuarzo
La observación de efectos de las mareas terrestres
5. Efectos perturbadores y exigencias a la
configuración de observación
•
Efectos hidrológicos:
Distorsiones hidrológicas
Es el efecto perturbador de más largo período
Es producido por cambios en el nivel de ríos o acuíferos subterráneos
cercanos al sitio de emplazamiento de los instrumentos
La observación de efectos de las mareas terrestres
5. Efectos perturbadores y exigencias a la
configuración de observación
•
La elección de sitios apropiados para la observación de mareas:
Condiciones para la gravimetría
Fuente de voltaje estabilizada para asegurar temeperatura uniforme
del instrumento (entre 30 y 50°C).
Instalados sobre pilar firme y aislado de vibraciones
Ambiente con temperatura estable (entre 10° y 30°C) que no varíe en
más de 0.5°C
Preparado para mantenimientos y calibraciones periódicas
La observación de efectos de las mareas terrestres
5. Efectos perturbadores y exigencias a la
configuración de observación
•
La elección de sitios apropiados para la observación de mareas:
Condiciones para la clinometría (tilt) y la extensiometría (strain)
La estación debe proveer información numérica precisa en el espectro más
amplio posible de frecuencias de mareas
Debe evitar perturbaciones sistemáticas producto de efectos
oceánicos indirectos, efectos de topografía, y efectos de cavidades
La distancia al mar es importante pero no suficiente.
Respecto de la topografía, preferentemente deben ser áreas planas o
ubicadas en profundidades.
Deben evitarse las extremidades de galerías o túneles
MUCHAS GRACIAS