La observación de efectos de las mareas terrestres

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1 La observación de efectos de las mareas terrestres
Seminario de Posgrado 2011 “Efectos de las mareas terrestres: observación y modelado” – Prof. Andreas Richter La observación de efectos de las mareas terrestres Maestría en Geomática Ignacio Redin

2 La observación de efectos de las mareas terrestres
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?

3 La observación de efectos de las mareas terrestres 1. Introducción

4 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

5 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

6 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

7 La observación de efectos de las mareas terrestres 2
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

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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

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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)

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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

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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

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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.

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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.

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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)

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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°.

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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)

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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.

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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.

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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.

20 Modulo de la componente vertical
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.

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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.

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La observación de efectos de las mareas terrestres 4. Efectos, métodos e instrumentos Tipo LaCoste y Romberg Tipo Worden

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La observación de efectos de las mareas terrestres 4. Efectos, métodos e instrumentos Gravímetros relativos: Gravímetro Lacoste y Romberg instalado en la FCAGLP - UNLP

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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.

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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.

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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.

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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.

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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 %.

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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 , y la estabilidad en el tiempo debe ser mejor que 10-7/año.

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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

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La observación de efectos de las mareas terrestres 4. Efectos, métodos e instrumentos Clinómetros: Péndulos horizontales Verbaandert - Melchior

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La observación de efectos de las mareas terrestres 4. Efectos, métodos e instrumentos Clinómetros: De burbuja

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La observación de efectos de las mareas terrestres 4. Efectos, métodos e instrumentos Clinómetros: De agua

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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)

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La observación de efectos de las mareas terrestres 4. Efectos, métodos e instrumentos

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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°.

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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 , y la estabilidad en el tiempo debe ser mejor que 10-7/año.

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La observación de efectos de las mareas terrestres 4. Efectos, métodos e instrumentos Extensómetros Horizontal de barra o tubo

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La observación de efectos de las mareas terrestres 4. Efectos, métodos e instrumentos Extensómetros: De hilo

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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)

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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)

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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

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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.

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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.

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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.

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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.

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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 ( km.). Un altímetro completa revoluciones por día.

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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.

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La observación de efectos de las mareas terrestres 4. Efectos, métodos e instrumentos Altímetros en satélites

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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

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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

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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 La influencia de la temperatura: mayor sobre los instrumentos de metal que sobre los instrumentos de cuarzo

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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

54 La observación de efectos de las mareas terrestres 5
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

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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

56 MUCHAS GRACIAS