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El origen geopotencial Claudio Brunini Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas Universidad Nacional de La Plata GESA - Georreferenciación Satelital.

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Presentación del tema: "El origen geopotencial Claudio Brunini Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas Universidad Nacional de La Plata GESA - Georreferenciación Satelital."— Transcripción de la presentación:

1 El origen geopotencial Claudio Brunini Facultad de Ciencias Astronómicas y Geofísicas Universidad Nacional de La Plata GESA - Georreferenciación Satelital Argentina Noviembre, 2003

2 Noviembre 2003C. Brunini El origen geopotencial - 2 La Geodesia y el mar Rotación de la Tierra Circulación Oceánica Altimetría Satelital Nivel del mar Superficie física Geoide Irregularidades de la rotación de la Tierra Oceanografía Geodesia

3 El origen geopotencial - 3 Noviembre 2003C. Brunini El Geoide Materializar el geoide con el nivel del mar (fines del XIX; Gauss, Listing, Helmert). Superficie de referencia para las alturas en Geodesia y Oceanografía Información sobre distribución de masas internas para la Geofísica Definición del origen geopotencial

4 El origen geopotencial - 4 Noviembre 2003C. Brunini Materialización del origen geopotencial El mar no es un líquido en reposo -> nivel medio del mar (MSL) MSL = nivel instantáneo (– oleaje) – marea – onda de tormenta Marea: oscilación vertical periódica producida por la atracción gravitacional de la Luna y el Sol y por la fuerza de Coriolis (también oscilación horizontal, denominada onda de marea) Estudiada por Newton, Laplace y Kelvin Periodicidad de años debida a la retrogradación de los nodos lunares Onda de tormenta: fuerza tangencial del viento sobre el agua Medición de la marea: regla fija en un muelle vinculada a un punto fijo en la costa; flotador dentro de un tubo; censor de presión o acústico, transmisión de registros en tiempo real

5 El origen geopotencial - 5 Noviembre 2003C. Brunini Mareógrafo de Mar del Plata

6 El origen geopotencial - 6 Noviembre 2003C. Brunini Origen geopotencial con un mareógrafo mareógrafo nivel del mar geoide = nivel medio del mar H0H0 datum H=0 Con el mareógrafo se determina el nivel medio del mar, que se asume coincidente con el geoide; la altura del punto datum respecto al geoide, H 0, se obtiene mediante una vinculación altimétrica con el mareógrafo.

7 El origen geopotencial - 7 Noviembre 2003C. Brunini Mareógrafos y datum vertical en Sudamérica Argentina: Mar del Plata (1949) Brasil: Imbituba al sur del Amazonas y Santana al norte (1949) Chile:Valparaíso (1941) Colombia: Buenaventura (1951) Ecuador: La Libertad (1948) Perú: La Punta (1954) Uruguay: Montevideo (1948) Venezuela: La Guaira (1953)

8 El origen geopotencial - 8 Noviembre 2003C. Brunini BUENAVENTURA Período: Valor máximo: 3,55 m Valor mínimo: 1,96 m Promedio: 2,79 m VALPARAÍSO Período: Valor máximo: 1,04 m Valor mínimo: 0,56 m Promedio: 0,79 m MAR DEL PLATA Período: Valor máximo: 1,29 m Valor mínimo: 0,72 m Promedio: 0,94 m MONTEVIDEO Período: Valor máximo: 1,44 m Valor mínimo: 0,69 m Promedio: 0,97 m LA GUAIRA Período: Valor máximo: 1,46 m Valor mínimo: 1,04 m Promedio: 1,24 m

9 El origen geopotencial - 9 Noviembre 2003C. Brunini Problemas del datum vertical El nivel del mar varía debido a: corrientes oceánicas presión atmosférica temperatura salinidad del agua Consecuencias Topografía de la superficie del mar (SST) Elipsoide SST Equipotencial SSH N

10 El origen geopotencial - 10 Noviembre 2003C. Brunini Problemas del datum vertical La SST varía geograficamente No coinciden las alturas transportadas con nivelación de precisión a un mismo punto desde dos mareografos Mareóg. 1 Mareóg. 2 H 1 -H 2 =T 1 -T 2 Mar Equip. H 01 H 02 T1T1 T2T2

11 El origen geopotencial - 11 Noviembre 2003C. Brunini Problemas del datum vertical La SST varía con el tiempo No coinciden las alturas transportadas con nivelación de precisión a un mismo punto desde dos datum establecidos en epocas diferentes Mareógrafo H (t 1 )-H (t 2 )= T(t 1 )-T(t 2 ) H 0 (t 1 ) T(t 1 ) H 0 (t 2 ) T(t 2 ) Nivelación en t 1 Nivelación en t 2 MSL t 1 MSL t 2 Equipotencial

12 El origen geopotencial - 12 Noviembre 2003C. Brunini Problemas del datum vertical Conexiones altimétricas entre países de Sudamérica (SIRGAS) Discrepancias: Brasil-Venezuela: 3.5 m Venezuela-Colombia: -0.3 m/+0.3 m Uruguay-Argentina: 0.2 m Brasil-Uruguay: 0.5 m Colombia-Ecuador: 0.07 m Debidas a: SST en los diferentes mareógrafos y épocas de definición del datum vertical Falta de correcciones gravimetriítas en la nivelación

13 El origen geopotencial - 13 Noviembre 2003C. Brunini La altimetría satelital

14 El origen geopotencial - 14 Noviembre 2003C. Brunini Caracterísitcas de la misión Topex/Poseidon (T/P) Frecuencia de la portadora: 13.5 GHz (Ku) Duración del pulso: 12.5 nanosegundos Frecuencia de repetición: 1 KHz Altura orbital: 1330 km Tiempo de viaje total (ida y vuelta): 5 ms Ancho del haz de la antena: 1.6° Radio de la huella: entre 2 y 11 km Velocidad media: 6,7 km/s

15 El origen geopotencial - 15 Noviembre 2003C. Brunini Medición tiempo de propagación altura de las olas velocidad del viento

16 El origen geopotencial - 16 Noviembre 2003C. Brunini Hitos en la historia de la altimetría satelital Apolo 14 utiliza por primera vez un altímetro para relevar la Luna Skylab realiza la primera exploración de la Tierra con un altímetro GEOS-3 (1975) es la primera misión altimétrica no tripulada Seasat (1978) transporta un altímetro y un radiómetro; tuvo una vida de 3 meses y permitió el primer estudio oceanográfico global Geosat (1985) tuvo una vida de 4 años ERS-1 (1991) es la primera misión altimétrica Europea (ESA) T/P (1992) es la primer misión altimetrica moderna, desarrollada en conjunto por por USA y Francia

17 El origen geopotencial - 17 Noviembre 2003C. Brunini Los errores de medición y en la posición del satélite se redujeron a 3- 4 cm gracias a: la utilización de un altímetro de doble frecuencia (bandas K u y C) la utilización de un radiómetro de microondas la utilización de rastreo Láser (SLR), DORIS y GPS el refinamiento de los modelos geopotenciales

18 El origen geopotencial - 18 Noviembre 2003C. Brunini Altura -> error orbital, relación señal/ruido ( km) Órbitas circulares -> facilitar el rastreo Inclinación -> limites latitudinales (ej.: corriente Circumpolar Antártica, i=65-115º) Estudios de variabilidad -> repetición de la órbita (ciclo) Duración de ciclo -> aleasing La duración del ciclo depende del período orbital (altura) y de la velocidad de retrogradación del nodo (inclinación y altura) Configuración orbital

19 El origen geopotencial - 19 Noviembre 2003C. Brunini Aleasing

20 El origen geopotencial - 20 Noviembre 2003C. Brunini Red de rastreo SLR (todos menos Geosat)

21 El origen geopotencial - 21 Noviembre 2003C. Brunini Red de rastreo DORIS (T/P)

22 El origen geopotencial - 22 Noviembre 2003C. Brunini Red de rastreo PRARE (ERS-2)

23 El origen geopotencial - 23 Noviembre 2003C. Brunini GPS (T/P)

24 El origen geopotencial - 24 Noviembre 2003C. Brunini T/P (i=66º) ERS1/2 (i=98º)

25 El origen geopotencial - 25 Noviembre 2003C. Brunini Errores orbitales y de medición

26 El origen geopotencial - 26 Noviembre 2003C. Brunini

27 El origen geopotencial - 27 Noviembre 2003C. Brunini Determinación de la altura de la superficie del mar (SSH) nivel del mar geoide elipsoide SSH N hsat SST altímetro ralt ralt -> medición hsat -> órbita N -> modelo geoidal -> correcciones Precisión estimada en SSH -> ±2 cm!

28 El origen geopotencial - 28 Noviembre 2003C. Brunini Correcciones Medio de propagación Ionosfera Troposfera seca Troposfera húmeda Geofísicas marea oceánica marea terrestre barómetro invertido estado del mar geoide Instrumentales drift del oscilador calibración centro de fase

29 El origen geopotencial - 29 Noviembre 2003C. Brunini Medio de propagación

30 El origen geopotencial - 30 Noviembre 2003C. Brunini Error -> ±0.7 cm

31 El origen geopotencial - 31 Noviembre 2003C. Brunini Error -> ±1.1 cm

32 El origen geopotencial - 32 Noviembre 2003C. Brunini Error -> ±0.5 cm

33 El origen geopotencial - 33 Noviembre 2003C. Brunini

34 El origen geopotencial - 34 Noviembre 2003C. Brunini

35 El origen geopotencial - 35 Noviembre 2003C. Brunini Error -> ±2 cm en mar abierto Amplitud y fase de la marea oceánica

36 El origen geopotencial - 36 Noviembre 2003C. Brunini Mayores errores de los modelos de mareas

37 El origen geopotencial - 37 Noviembre 2003C. Brunini

38 El origen geopotencial - 38 Noviembre 2003C. Brunini Error -> ±2 cm

39 El origen geopotencial - 39 Noviembre 2003C. Brunini

40 El origen geopotencial - 40 Noviembre 2003C. Brunini

41 El origen geopotencial - 41 Noviembre 2003C. Brunini

42 El origen geopotencial - 42 Noviembre 2003C. Brunini Topografía de la superficie del mar (SST) Variación global: algo más que 3.5 m Mayores depresiones: cerca de la Antártida Mayores sobreelevaciones: extremo subtropical oeste Pacífico Norte

43 El origen geopotencial - 43 Noviembre 2003C. Brunini Circulación oceánica general Circulación horizontal (escala de tiempo: años) corrientes lentas hacia el ecuador en los bordes orientales corrientes veloces hacia los polos en los bordes occidentales corriente Circumpolar Antártica fluye alrededor del globo Circulacion vertical (centenares de años) intercambio de calor ecuador/polos

44 El origen geopotencial - 44 Noviembre 2003C. Brunini Circulación oceánica general Equilibrio geostrófico Peso Velocidad Presiones Coriolis n e v Equilibrio hidrostático Conociendo la densidad =f(temperatura, presión, salinidad) se calcula la circulación oceánica

45 El origen geopotencial - 45 Noviembre 2003C. Brunini Circulación oceánica y SST Los gradientes de la SST permiten inferir la circulación horizontal La topografía de la superficie del mar es una variable dinámica. Por ejemplo: latitud: 24º profundidad: 4000 m gradiente en la SST: 1 cm/1000 km flujo: ton/seg Equivale al transporte de todos los ríos del planeta

46 El origen geopotencial - 46 Noviembre 2003C. Brunini Variabilidad temporal Variabilidad remanente (sin mareas): 10 cm - 1 m; rms 12 cm De gran escala (estructuras > 500 km): rms 9 cm ->interacción océano-atmósfera (ej: viento, barómetro invertido, intercambio de calor e intercambio de agua fresca por evaporación, deshielo, lluvias). De mediana escala (estructuras <500 km): rms 8 cm. Origen: fluctuaciones de las corrientes oceánicas por variaciones en la densidad del agua. La mayor parte de la variabilidad puede representarse mediante se denomina steric effet y se debe a cambios de densidad causados por intercambio estacional de calor océano-atmósfera.

47 El origen geopotencial - 47 Noviembre 2003C. Brunini Variabilidad temporal Global rms variability 32 cm Tidal Correction 12 cm Inverted Barometer Correction 10 cm Scales > 500 km 6 cm Scales < 500 km 8 cm

48 El origen geopotencial - 48 Noviembre 2003C. Brunini Tendencia mm/año Tendencia (mm/año)obtenida con T/P entre 1992–2000 (7.5 años) Pacifico central: –15 mm/año -> -12 cm en 7.5 años Indonesia: +25 mm/año -> +19 cm en 7.5 años

49 El origen geopotencial - 49 Noviembre 2003C. Brunini Los mareografos confirman las tendencias pero muestran que si se consideraran otros periodos cambian e incluso se invierte el signo. Las tendencias representan valores medios para el periodo observado. El equilibrio hidrostático impone que no puede acumularse agua en una región del océano por un tiempo indefinido. Tendencia por mareógrafos

50 El origen geopotencial - 50 Noviembre 2003C. Brunini Comparaciones entre T/P y mareógrafos

51 El origen geopotencial - 51 Noviembre 2003C. Brunini Ciclo anual (amplitud)

52 El origen geopotencial - 52 Noviembre 2003C. Brunini Efecto de la SST en el datum vertical El promedio de registros de mareas no asegura un valor representativo del nivel del mar porque: el efecto casi estacionario de la SST puede alcanzar hasta 1 m los cambios no estacionales hacen variar el nivel medio del mar hasta cm en una década elipsoide nivel del mar SSHN(W 0 )

53 El origen geopotencial - 53 Noviembre 2003C. Brunini Cambio en el geoide por steric effect (un modelo idealizado) Tierra: distribución esférica de masas Oceanos: cascaron esférico Agua: densidad uniforme Potencial: equivalente al de una masa puntual aumento uniforme de t 1 a t 2 disminución de 1 a 2 aumento de h 1 a h 2 m no cambia las superfies equipotenciales no cambian el nivel del mar cambia W 0 cambia Si hubiera redistribución de masas en el oceano cambiaría también las superficies equipotenciales

54 El origen geopotencial - 54 Noviembre 2003C. Brunini Cambio en el geoide por redistribución de masas Cambio en el geoide si la variación de la SST observada por T/P entre 1992 y 2000 se debiera redistribuciones de masas

55 El origen geopotencial - 55 Noviembre 2003C. Brunini Tendencia en los últimos 100 años: 1-2 mm/año Aumento del nivel del mar

56 El origen geopotencial - 56 Noviembre 2003C. Brunini Posibles mecanismos del aumento del nivel del mar Expansión termal Deshielo / acumulación Intercambio continente/oceáno Deformación cuencas

57 El origen geopotencial - 57 Noviembre 2003C. Brunini Panel Intergubernamental para el Cambio Climático la concentración de CO 2 y CH 2 en la baja atmósfera estaría aumentando por causas antropogénicas ello aumentaría el efecto invernadero y produciría un calentamiento global del planeta el riesgo de desastres naturales crecerá en la próxima centuria hacia 2020, el 60% de la población mundial se concentraría en regiones costeras

58 El origen geopotencial - 58 Noviembre 2003C. Brunini presente -150 m Variaciones del nivel del mar en los últimos años En eras geológicas pasada estuvieron dominadas por las glaciaciones Corales muy antiguos en Barbados revelan un aumento de 120 m luego del último máximo glacial (hace años)

59 El origen geopotencial - 59 Noviembre 2003C. Brunini El retiro de los hielos parece haber concluido hace años Desde entonces el nivel del mar pareció estabilizarse Existen evidencias de que a mediados del siglo XIX comenzó a crecer abruptamente, acumulando unos 15 cm en los últimos 100 años 20 th century 6000 years present Variaciones del nivel del mar en los últimos años

60 El origen geopotencial - 60 Noviembre 2003C. Brunini El ciclo hidrológico y el nivel del mar Précipitation Evaporation Transpiration Precipitation Rivers Lakes Océans Soil Moisture Ground Waters Atmosphère Snow Pack

61 El origen geopotencial - 61 Noviembre 2003C. Brunini El nivel del mar como barómetro del cambio climático Thermal expansion Glaciers Groenland (present) Antarctique (pressent) Permafrost Sedimentary deposits TOTAL OBSERVATIONS Ice sheets (long term) Continental waters

62 El origen geopotencial - 62 Noviembre 2003C. Brunini ¿1 o 2 mm/año? La mayoría de los investigadores utiliza los mismos mareógrafos (PSMSL) Los valores obtenidos oscilan entre 1.0 y 2.4 mm/año 1 mm/año puede explicarse por la expansión termal de los océanos y el derretimiento de pequeñas calotas de hielo y glaciares de montaña causado por el aumento en la temperatura media del planeta de 0.6º C en en los últimos 100 años El derretimiento de las grandes masas de hielo de Groenlandia, Escandinavia y la Antártida no contribuirían al aumento del nivel del mar 2 mm/año exige revisar y corregir los modelos climáticos globales

63 El origen geopotencial - 63 Noviembre 2003C. Brunini Nivel medio del mar determinado por T/P

64 El origen geopotencial - 64 Noviembre 2003C. Brunini Nivel medio del mar determinado por la altimetría satelital 2.0 ±0.6 mm/año

65 El origen geopotencial - 65 Noviembre 2003C. Brunini Fluctuaciones en el tiempo Tendencia con todo el registro: 2.9 mm/año Tendencia con fragmentos de 20 años: 0-6 mm/año La tendencia no se mantiene constante a lo largo del tiempo

66 El origen geopotencial - 66 Noviembre 2003C. Brunini

67 El origen geopotencial - 67 Noviembre 2003C. Brunini Red global de mareógrafos del PSMSL

68 El origen geopotencial - 68 Noviembre 2003C. Brunini Limitaciones de los mareógrafos Muestran el cambio en locaciones puntuales sobre las costas La distribución irregular no permite discernir entre rdistribuciones de masa y cambios del volumen total Muchos mareógráfos registrando disminicuón Nivel del mar en t 2 Redistribucion de agua El volumen total no cambia Pocos mareógráfos registrando aumento Nivel del mar en t 1

69 El origen geopotencial - 69 Noviembre 2003C. Brunini Limitaciones de los mareógrafos Están afectados por movimientos verticales de la corteza terrestre (levantamiento o subsidencia) debidos a: actividad sísmica deformaciones en los bordes activos de las placas tectónicas vulcanismo aguas subterráneas compactación de cuencas sedimentarías

70 El origen geopotencial - 70 Noviembre 2003C. Brunini Rebote postglacial Es la respuesta de la corteza terrestre a la retirada de los hielos, luego del último máximo glacial (hace años). Es la causa más general de los movimientos verticales.

71 El origen geopotencial - 71 Noviembre 2003C. Brunini Rebote postglacial Movimiento vertical en los mareografos del PSMSL

72 El origen geopotencial - 72 Noviembre 2003C. Brunini El proyecto SIRVEMAS Sistema de Referencia Vertical por Mareógrafos y Altimetría Satelital Proyecto de cooperación entre la FCAG y el DGFI (Alemania) para estudiar la topografía de la superficie del mar y las variaciones del nivel medio del mar mediante mareógrafos y altimetría satelital y definir un nuevo datum vertical para la Argentina. Principales logros ( ): instalación y operación de 3 estaciones GPS permanentes, en Mar del Plata, Bahía Blanca y Rawson (coordenadas y velocidades muy precisas en ITRF) control mediante campañas GPS episódicas de los mareógrafos de Mar del Plata, Puerto Belgrano y Puerto Madryn, en los que se han determinado valores preliminares de las velocidades verticales

73 El origen geopotencial - 73 Noviembre 2003C. Brunini El proyecto SIRVEMAS Sistema de Referencia Vertical por Mareógrafos y Altimetría Satelital

74 El origen geopotencial - 74 Noviembre 2003C. Brunini Monitoreo del grandes cuencas fluviales El Niño La Niña PARANA

75 El origen geopotencial - 75 Noviembre 2003C. Brunini Sea level Land waters mass balance JASON GRACE (ocean) GRACE (land) ENVISAT Separating thermal and mass effects Nuevas misiones espaciales

76 El origen geopotencial - 76 Noviembre 2003C. Brunini Conclusiones Para definir una referencia vertical global precisa es necesario continuar estudiando la SST que, además de oscilaciones anuales, muestra fluctuaciones de algunos años que producen aumentos o disminuciones regionales de entre 10 y 20 cm y el aumento del nivel medio del mar. Un sistema de refe­rencia vertical preciso debe definirse para una cierta época y debe darse además la velocidad de cam­bio con el tiempo.


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