Un blog de ciencia para entender el funcionamiento del planeta y su relación con la historia de la humanidad
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En la pasada entrada vimos lo complicado que puede ser el cálculo de las variables armónicas de las mareas en una región en particular sin unas buenas observaciones de datos. En esta ocasión vamos a ver las dificultades que puede haber para entender las variaciones de la marea en un puerto aún teniendo un buen registro de datos. La bahía de San Francisco tiene la serie de tiempo de nivel del mar más antigua de todo el Pacífico Americano, sin embargo hasta hace poco no se ha resuelto uno de esos pequeños misterios de la ciencia que la hace tan entretenida. Los primeros datos del nivel del mar en San Francisco son de 1850, mucho antes de cualquier ciudad del pacífico americano a pesar de que la colonización fue anterior en otras regiones con puertos importantes, como Lima en Perú. Incluso conociendo la indiferencia hispana por la ciencia, no deja de sorprender que un pueblo tan marinero no tuviese interés en mediciones del nivel del mar en los puertos de su territorio. Las mediciones de nivel del mar de San Francisco mostraban unas variaciones en dos constituyentes de las mareas anómalas respecto de otros puertos cercanos, en concreto en las variables K1 y M2 que está relacionadas con la influencia de la luna. (Aquí los diferentes constituyentes de la marea en San Francisco). De arriba a abajo: Descarga del rio Sacramento-SanJoaquín en mtros cúbicos por segundo. Admitancia de la M2. Puede observarse la influencia de la descarga en la admitancia. La tendencia clara que se observa hasta los años 80 era una de las cosas del registro de nivel del mar sin explicación. De Rodriguez-Padilla & Ortiz, 2017 Entre las influencias por las que se puede producir estos cambios están las variaciones en los aportes de agua desde los ríos o cambios en la temperatura de agua de mar. En la siguiente animación, pueden ver cómo éstas dos variables puede afectar al nivel del mar. Si medimos el nivel del mar justo debajo del famoso puente de San Francisco, vemos cómo la presencia de agua proveniente de la descarga de los ríos hace que suba el nivel del mar, ya que el agua dulce (o fresca) es más boyante que el agua de mar y flota sobre ésta. Por otra parte, el aumento de temperatura en el agua de mar hace que ésta disminuya su densidad “expandiéndose” y registrando un mayor nivel del mar. Aunque lo cierto es que en San Francisco la presencia de agua cálida suele estar relacionada con cambios en la circulación marina que, igualmente, producen una subida en el nivel del mar. Si combinamos estos dos factores, podemos ver cómo un mar con temperaturas cálidas y alta descarga de los ríos producen los niveles de mar más elevados. Éstas, por ejemplo, son las condiciones típicas que produce el fenómeno de El Niño en esta región. Al contrario, los niveles de mar más bajos se producen durante eventos de La Niña, cuando el agua está más fría y generalmente existen condiciones de sequía. De hecho, en la siguiente gráfica puede verse muy claramente cómo el nivel del mar subió durante muchos de los eventos de El Niño. Sin embargo, por mucho que se especuló sobre cómo estas variaciones podrían estar detrás de las anomalías del registro de nivel del mar en San Francisco, nunca se pudo confirmar. En un reciente estudio, al Dr. Modesto Ortiz y a su estudiante de maestría en CICESE Isaac Rodríguez Padilla, se les ocurrió incluir una nueva variable; el sedimento. Revisando los mapas de batimetría de la bocana y el canal de entrada de la bahía observaron cómo había ido cambiando a lo largo del siglo XX. Para entender estos cambios necesitaron investigar la historia de la región y se encontraron con algunos hechos que sin duda influyeron en la disposición del sedimento.
La misma fiebre del oro terminó produciendo un incremento poblacional que cada vez requería más recursos para mantenerse. El incremento de la población hizo necesaria la creación de embalses para surtir de agua a la recién instalada civilización. En 1933 el Proyecto de Agua del Valle Central (Central Valley Water Project), comenzó la construcción de embalses en los principales ríos que llegan a la bahía. Pero los embalses no sólo reducen la llegada de agua, sino también de sedimento. Así, la disminución de la erosión por el fin de la fiebre del oro hacia 1880 y el aumento de la retención de sedimentos por los embalses, hizo disminuir paulatinamente la rugosidad en el canal de la bahía de San Francisco.
Referencias Rodríguez-Padilla & Ortiz, 2017 On the secular changes in the tidal constituents in San Francisco Bay. Journal of Geophysical Research Fotos de wikipedia, daguerrotipos e ilustraciones de la Library of the Congres https://en.wikipedia.org/wiki/California_Gold_Rush
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6 de junio de 1944 las barcazas de los aliados cargadas de soldados se acercan a las playas de Normandía. El fuego enemigo no cesa. Las estructuras ideadas por Rommel para evitar la llegada a la parte alta de la playa obliga a los aliados a desembarcar a sus soldados a cientos de metros de tierra. El teniente da la orden y todos salen en tromba sin pensarlo. Los soldados caen al agua, no hacen pie, tratan de nadar pero el peso de las municiones les hunde. La mayoría mueren ahogados, los alemanes sólo tienen que rematar a los que llegan moribundos a la playa después de tragar litros de agua. Alemania gana la guerra. Todos sabemos que esto no ocurrió así. Pero un pequeño error en el cálculo de las mareas de ese día podría haber cambiado el curso de la historia. Por suerte los cálculos de marea realizados por Arthur Doodson, 6 mujeres “calculadoras” del Instituto de Liverpool de Mareas y las máquinas que ideó Lord Kelvin, permitieron un desembarco en la hora con la marea adecuada. Un error de una hora en sus cálculos y todo habría sido diferente. Hoy me voy a salir un poco de la parte paleo y aprovechar este capítulo de la historia para explicarles la importancia de la medición del nivel del mar y de las mareas, para en próximas entradas analizarlo con otra perspectiva “más paleo”.
Las mareas han sido calculadas desde hace miles de años, siendo probablemente el primer registro oceanográfico las tabulaciones del Golfo Pérsico por el matemático Griego Seleuco. Probablemente su estudio de las mareas fue lo que le convirtió en un firme defensor de la teoría Heliocéntrica propuesta por Aristarco, ya que no se puede calcular de forma precisa las mareas en un modelo Geocéntrico. Por supuesto las mareas no eran calculadas en base a la física Newtoniana, sino de una manera más cruda basada en correlaciones con las fases lunares, pero su cálculo era suficiente para asegurar la seguridad de las actividades portuarias. No se pudo haber un cálculo preciso de las mareas hasta que Newton definió su teoría de la gravitación universal y todavía se tardó un siglo más hasta que Laplace escribió las ecuaciones de marea, la primera verdadera aplicación de la física al océano. Sin embargo el resultado no deja de ser aproximado con estas ecuaciones, y fue William Thomson (Lord Kelvin) quien utilizando los métodos de Fourier, desarrolló el análisis armónico de las mareas. ¿Lo qué? No es tan complicado como suena. En simples palabras, es difícil calcular la marea, pero es fácil a partir de observaciones saber las diferentes frecuencias que influyen en la marea de un sitio en particular. Así tenemos que; Esta señal de marea se propaga como una gran ola, y la forma de los continentes y la profundidad del océano influyen en cómo llega esa ola a una región. Hay zonas que son el centro de esta onda donde no hay variación en la altura. En la imagen de abajo son las zonas azules con lineas blancas irradiando. La ola de la marea circula alrededor de estas zonas, denominadas puntos anfidrómicos, y la ola se amplifica al chocar con otras olas o con los continentes.
Así, a partir de las observaciones de un sitio determinado, se extrae la señal de cómo interaccionan los diferentes forzamientos con las características del sitio. Lo que se llama variables armónicas de la marea. Una vez conocidas es sencillo predecir las mareas futuras. Cuanto más tiempo de observaciones, mejor se puede predecir la marea porque se es capaz de identificar más fuentes de variación, más variables armónicas. Estas variaciones de marea debidas a la influencia de los astros es lo que llamamos mareas astronómicas, pero no es lo único de lo que depende el nivel del mar. Hay que sumarle otras influencias como los vientos, la temperatura del agua, la presencia de agua dulce, etc. Pero eso es otra historia que contaremos en la siguiente entrada. El genio de Lord Kelvin fue construir una computadora mecánica para hacer estos cálculos y poder estimar las mareas de un sitio. La maquina más avanzada de Lord Kelvin consideraba 26 variables armónicas y en 1943 Doodson tenía dos de estas máquinas de su propia creación, en dos sitios diferentes por si los bombardeos destruían alguna de ellas (podéis ver más abajo una de estas máquinas funcionando). Pero Doodson y su equipo no podían calcular con precisión las mareas por la sencilla razón de que las playas en las que los generales querían desembarcar no tenían observaciones de mareas y las aproximaciones a partir de datos de puertos cercanos podían no ser lo suficientemente precisas para que los soldados no se ahogasen. Los militares aliados desecharon la opción de invadir en marea alta en cuanto vieron que Rommel había instalado filas y filas de obstáculos, algunas con explosivos. Sin obstáculos habría sido mucho más fácil, ya que la barca llega lo más arriba que puede y el cálculo de la marea no es tan definitorio, sólo para determinar el día y hora en el que los soldados tendrían que caminar menos y las barcazas no quedarse atascadas. Pero los obstáculos lo cambiaban todo. Ahora tenían que llegar una primer desembarque justo pasado la marea baja para que tropas con explosivos abriesen un corredor. La marea tenía que estar en creciente, para que las embarcaciones no se quedaran encalladas. Además, las fuerzas navales querían pasar de noche pero la artillería naval necesitaban luz, así que tenían que coincidir la marea indicada con el amanecer. Todos estos condicionamientos reducían las posibilidades a los días 5, 6 y 7 de junio de 1944. Pero seguían sin observaciones de las 5 playas que abarcaban una región de 100 Km, y una hora de error podía ser fatal. Las mareas avanzan como una ola gigante y 100 km de separación significan una hora de diferencia en las mareas. Además con rangos de marea de 6 metros que hay en la región significa que la marea subiría un metro por hora. Demasiado fácil equivocarse en una hora sin más datos que los de puertos cercanos. Alguien tenía que tomar mediciones en las playas y darle las constantes armónicas a Doodson. Y por supuesto todo con nombres cifrados, porque Doodson no podía saber el mayor secreto de la Segunda Guerra Mundial; dónde sería el desembarco aliado. El Almirante Farquharson era el encargado de mareas de la marina y usando submarinos mandó pequeños equipos de soldados en botes a tomar mediciones de altura y corrientes de marea en las mismas narices de los alemanes. Los datos desde luego debieron ser insuficientes, pero Farquharson se las debió ingeniar para mezclar esas mediciones con los datos del puerto más cercano (Le Havre) y dar a Doodson 11 variables armónicas que fueron suficientes para un desembarco exitoso. La decisión de que fuese el 6 de junio fue debida a las condiciones meteorológicas, y eso es otra apasionante historia que pueden leer aquí. Sólo decir que los ingleses acertaron que el 6 habría un breve descanso dentro de la tormenta que barrería la región esos días. Algo que no supieron predecir los alemanes por lo que Rommel se fue tranquilamente a Berlín a pasar el día pensando que las condiciones meteorológicas eran defensa suficiente. El desembarco fue un éxito,... en el que murieron cientos de miles de personas. No puedo dejar pasar las tristes noticias de cómo Europa vuelve a polarizarse y los fascistas regresan de las sombras. Esperemos que en esto también baje la marea. Referencias
The tide predictions for D-Day, Bruce Parker [PDF] Si sabes inglés, no dejes de leerlo https://fluyendolibremente.wordpress.com/2013/01/11/analisis-de-armonicos-de-marea-astronomica-con-t_tide/
Hoy termino aquí mi "trilogía isotópica", aunque seguro que en el futuro seguiremos hablando de isótopos dada su importancia. Pero han sido tres entradas seguidas un poco más exigentes, en elaborarlas y en leerlas, por lo que la semana que viene volveré a curiosidades más ligeras, para poder acabar mi tesis y para no espantar a los pocos lectores que tengo. Hoy les explico la lógica detrás de las reconstrucciones de millones de años de la temperatura del planeta mediante el uso de los isótopos de oxígeno, método que fue por primera vez implementado en 1955 por Cesare Emiliani basándose en el trabajo de su mentor Harold Urey.
Vean la curiosa simetría entre las dos imágenes de arriba. A la izquierda es un esquema de la circulación atmosférica desde el ecuador hasta el polo norte. A la derecha tienen un destilador de laboratorio, cuyos principios fundamentales son los mismos que los destiladores del whisky, el tequila o el ron que os chupáis los fines de semana. En la parte central observamos dónde se calientan las masas líquidas. Vemos la zona del matraz de destilación donde una fuente de calor, el mechero de gas, está separando los líquidos del matraz según su punto de evaporación. Los líquidos más volátiles se evaporan antes que los menos volátiles. En el otro caso vemos la zona de convección de la atmósfera donde debido a una fuente de calor, el Sol, se produce la evaporación del agua. Al contrario que con la destilación en el matraz, para que se evapore el agua no hace falta que hierva a 100ºC como bien se explica en "ciencia de sofá". Al evaporarse el agua, se separan los isótopos del oxígeno; los isótopos ligeros al pesar menos se evaporan más fácil que los isótopos pesados.
Un paréntesis. Ya tuvimos una introducción a los isótopos donde utilizamos de ejemplo los isótopos del carbono. El oxígeno también presenta varios isótopos, el más abundante O-16 (8 protones y 8 neutrones) que es el ligero y el más pesado O-18 (8 protones y 10 netrones) y el cálculo del delta del oxígeno nos da resultados en el que un mayor delta significa que está enriquecido del isótopo pesado. Como saben el agua tiene hidrógeno y oxígeno (H2O) y el agua tiene tres isótopos principales, ya que el Hidrógeno también tiene sus isótopos (aquí muy buena revisión). Pero vamos a obviar al Hidrógeno y nos centraremos en la relación de H216O (el ligero) y H218O (el pesado).
Siguiendo con los paralelismos entre el destilador y la circulación atmosférica, vemos en ambos casos cómo desciende la fase gaseosa a la vez que se refrigera. Sin embargo, hay una diferencia, y es que en la circulación atmosférica durante el trayecto a zonas más frías parte va cayendo en forma de lluvia. ¿Adivinan qué isótopo va a caer antes? Efectivamente, el pesado, quien quiere llevar una carga pesada cuando puede llevar otra ligera del mismo valor ¿verdad?
Al final del viaje todo el gas ha quedado condensado por el frío. En el matraz que recibe el destilado del tequila, primero llegará el alcohol más puro, el más volátil, en cierto modo el más ligero. En los polos, a través de la circulación atmosférica, lo que llegan son sobretodo isótopos ligeros en forma de nieve, la mayoría de los pesados fueron cayendo por condensación al enfriarse la atmósfera en el camino. El resultado es que el hielo de los polos tiene en promedio un delta del oxígeno menor que en la región tropical. Mientras lluvias tropicales tiene un delta de alrededor de -5%o, los glaciares de Groenlandia llegan a un delta de -30%o. El cero es el Promedio Estándar del Agua del Océano (SMOW en sus siglas en inglés). En la siguiente figura lo resumieron fantásticamente Paul y colaboradores en 1999.
También hay que pensar no solo en el oxígeno que vuela, sino también en el que se queda. Así, zonas con mucha evaporación y muy secas, como los desiertos, presentan una proporción de isótopos pesados mucho mayor. En definitiva, el patrón global del delta 16 del oxígeno responde a la destilación del oxígeno y también al balance evaporación-precipitación local, como puede observarse en los mapas de abajo para los continentes (arriba) y el agua superficial del mar (abajo). La superficie del mar también sufre estos procesos, sus valores van desde -7%o a 3%o, pero debido a la mezcla sus rangos son mucho menores que en el medio terrestre, entre -20%o y 30%o. Pero hoy nos vamos a centrar en lo que es la destilación del oxígeno y la segunda parte del título de este artículo, la reconstrucción de la temperatura del planeta. Seguro que han oído muchísimas noticias sobre el deshielo de los polos o han visto esa película animada de “La edad de Hielo” que transcurre en un periodo del planeta bastante más frío que el actual. Ahora piensen por un momento cómo pueden esos periodos glaciales y cálidos afectar al contenido de isótopos de oxígeno en el hielo y en el mar. Para ello tengan en cuenta algo importante, los casquetes polares se descongelan por su parte inferior a la vez que la nieve se deposita en la parte superior. La relación del isótopo del oxígeno con las glaciaciones es muy sencilla. Cuando los casquetes polares tienen mucho hielo durante periodos fríos han acumulado isótopos ligeros. Esto quiere decir que en el mar quedan menos isótopos ligeros, y la relación 18O/16O aumenta, al igual que el delta del oxígeno, y el agua evaporada que viaja a los polos también tiene una mayor proporción de 18O. Sin embargo las condiciones frías llegan a latitudes más bajas lo que hace que durante el viaje a los polos se elimine todavía más isótopo pesado, quedando en los polos incluso mayor proporción de isótopo ligero. Lo contrario ocurre en periodos interglaciales. Bueno, es verdad, en realidad no es tan sencillo y a veces es un poco contraintuitivo. Así que vamos poco a poco. Les enseño una animación que he hecho y después lo explico paso a paso. Fíjense detenidamente cómo la señal no sólo queda registrada en el hielo de los polos, sino también en los sedimentos marinos. En éstos últimos, los isótopos de oxígeno quedan registrados en organismos como corales o con concha de carbonato de calcio, de los que ya hemos hablado antes (1 y 2) que cuando mueren caen al sedimento y se convierten en fósiles.
Ahora ya podemos entender porqué la señal isótopica del hielo y los de fósiles de sedimentos marinos es opuesta, uno es el espejo del otro como se ve en la figura de abajo. En el hielo, el máximo delta y la mayor cantidad de O18 es en periodo cálido, por lo que este delta es reflejo de la temperatura del planeta. En el caso del registro marino, el delta es el inverso de la temperatura del planeta.
Como podéis ver también, los núcleos de hielo tienen mayor resolución y además son más fiables en la cronología, pero lo máximo que hay son 800000 años reconstruidos con el isótopo del Hidrógeno de un núcleo de la Antártida. En cambio los sedimentos nos permiten ir millones de años atrás. Algo que os puede llamar la atención son las diferencias en los valores del delta. Debéis tener en cuenta que al calcular el delta del oxígeno del hielo y agua se utiliza el estandar SMOW, pero para los carbonatos se utiliza otro estándar, el PDB que vimos aquí, por lo que no son un reflejo exacto de las diferencias del agua de mar y del hielo. Para reconstruir la temperatura a partir de los carbonatos marinos, hay que aplicar unas fórmulas obtenidas a partir de estudios de laboratorio, ya que la cinética de la reacción por la que se forma el carbonato de calcio, y en la que se incorporan los isótopos de oxígeno, varía con la temperatura. Pero, como decían en "Irma la dulce", esa es otra historia. Y ahora sí, os dejo con una reconstrucción de los últimos 500 millones de años a partir de diferentes proxys. Detalles acerca esta reconstrucción, aquí
*Si buscáis otras fuentes de información sobre este proceso no lo vais a encontrar de forma tan detallada como aquí en ningún material divulgativo, tanto en español como inglés, sólo en publicaciones más técnicas. Podéis buscar cosas relacionadas como isotopos del agua o paleotermómetro.
Un libro de la Agencia Internacional para la Energía Atómica y la UNESCO sobre todo lo que necesitas saber, y más, sobre isótopos en el ciclo hidrológico. [PDF] |
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