Universidad de Las Palmas, 10/01/2013 Mareas y Corrientes: I: Causas de variación del nivel del mar...

Universidad de Las Palmas, 10/01/2013

Mareas y Corrientes:I: Causas de variación del nivel del mar

Begoña PérezPuertos del Estado

Curso de Experto en Ingeniería de Puertos y CostasUniversidad de Las Palmas, 10/01/2013


¿Qué entendemos por nivel del mar? Las Mareas:

– La teoría de Equilibrio de Newton. – Mareas Reales

Cambios meteorológicos (“storm surges”, inundaciones)Oscilaciones de alta frecuencia: “secas” y tsunamisCambios espaciales y temporales del nivel medio del mar

– Variación espacial– Ciclo estacional y variación interanual – Cambios seculares y eustáticos


¿Qué entendemos por nivel del mar?: todas las variaciones de la superficie libre de periodo superior al oleaje. Ondas largas o de aguas someras:

Propagación no

dispersiva:

2/1)(gDc

D

Rango de periodos: desde minutos a miles de años

¿Qué es el nivel del mar?


¿Por qué cambia el nivel del mar?

• Las mareas

• La meteorología

• Terremotos (tsunamis)

• Cambios climáticos

• Tectónica de placas

• Circulación oceánica

• Construcción de embalses, extracción de aguas subterráneas

• Subsidencias y levantamientos del terreno

El nivel del mar varía en el espacio y en el tiempo, de manera absoluta y relativa como resultado de:

Causas de su variación


• atracción gravitatoria del Sol y la Luna• meteorología• clima• variaciones de densidad • variaciones de masa

Nivel medio del mar: principales agentes de variación absoluta:

Causas de su variación


Registro o dato de nivel del mar:

X(t) = Z0(t) + M(t) + R(t)

• X(t): nivel del mar en el instante t • Z0(t): nivel medio (variación lenta, clima)• M(t): variación periódica (marea astronómica)• R(t): variación no periódica (meteorología, efecto estérico, etc): residuo meteorológico

• Otros: secas y tsunamis: oscilaciones ocasionales que se superponen a las variaciones fundamentales

Componentes del dato de nivel del mar


• Variaciones periódicas del nivel debidas a los efectos combinados de la atracción gravitatoria de la Luna y el Sol, la rotación terrestre y la fuerza de Coriolis

• Predecibles a partir de registros de nivel del mar en un punto

• Amplitud variable: desde casi nula (Mediterráneo) a 12 metros (Bahía de Fundy)

Las Mareas


La Teoría de Equilibrio de Newton:

Teoría simplificada que ayuda a comprender el origen de las mareas:

Hipótesis:

• Tierra completamente cubierta de agua (ausencia de continentes)• profundidad del agua tal que no existe fricción de fondo (respuesta instantánea a las fuerzas de marea)

Marea de Equilibrio o Elipsoide de Marea: forma que adopta la superficie del mar una vez alcanzado el estado de equilibrio entre la gravedad terrestre y las fuerzas generadoras de marea

Dos elipsoides: uno generado por el Sol y otro por la Luna

Las Mareas


Elipsoide de Marea y tipos fundamentales de mareas:

A BC

Ft = Fg - FcFt = Fg - Fc

• A: Fg > FcA: Fg > Fc

• B: Fc > FgB: Fc > Fg

• C: Fc = FgC: Fc = Fg

FcFcFgFg

FtFt FtFt

Ft = 0Ft = 0

• Rotación terrestre Marea semidiurna (12.5 h)

• Inclinación órbita Luna Marea mixta y diurna (24 h)


Las Mareas


• Efecto combinado de la Luna y el Sol: Ciclo de mareas vivas y muertas (14.8 días)

La fuerza generadora de marea del Sol es un 46% de la de la Luna

Marea viva luna

llena o luna nueva

Marea muerta cuarto

creciente o menguante


Las Mareas


Tipos fundamentales de mareas- relación con movimientos y tamaños relativos del sistema Tierra-Luna-Sol:

• Mareas semidiurnasMareas semidiurnas (rotación terrestre): dos pleamares y dos (rotación terrestre): dos pleamares y dos bajamares diarias (periodo 12.5 h)bajamares diarias (periodo 12.5 h)• Mareas diurnasMareas diurnas (declinación lunar): una pleamar y una bajamar (declinación lunar): una pleamar y una bajamar diaria (24h)diaria (24h)• Mareas mixtas: dos pleamares y dos bajamares de distinta amplitud (desigualdad diurna)• Mareas de largo periodo:

• Mensual (perigeo Luna): 27.55 días• Anual (perihelio Tierra): 364.96 días• Marea nodal (recesión nodo ascendente de la Luna a lo largo de la Eclíptica): 18.6 años


Las Mareas


¿Cuándo son más intensas las fuerzas generadoras de marea?:

• Luna y Sol alineados (luna llena y luna nueva)• Luna y Sol en su posición más cercana a la Tierra (perigeo y perihelio)• Declinación solar nula (equinoccios): mareas vivas equinocciales

Marea semidiurna más intensa cuando coincide el equinoccio con el perigeo lunar y con declinación lunar nula:

18 de Marzo de 2007

18 de Marzo de 2011

19 de Marzo de 2015

27 de Septiembre de 2015

8 de Abril de 2020……


Las Mareas


Causas de la diferencia entre las mareas reales y las predichas por la Teoría de Equilibrio (en amplitud y fase):

Profundidad finita: fricción de fondo impide respuesta instantánea a las fuerzas de mareaEfecto de Coriolis: rotación de la onda en el sentido de las agujas del reloj en el hemisferio NorteMasas continentales: impiden libre propagación de las ondas y provocan reflexiones, difracciones y refracción Aguas someras en las costas: amplificación de las ondas y aparición de nuevos armónicos

Las mareas reales

No obstante, las frecuencias más importantes coinciden con la teoría

Las Mareas


Sistema anfidrómico:

las ondas de marea afectadas por la rotación terrestre se comportan como ondas de Kelvin

en cuencas confinadas, cuyo periodo natural de oscilación se aproxima al de la marea, la formación de ondas estacionarias afectadas por el efecto de Coriolis da lugar a la aparición de un sistema amfidrómico: las ondas giran en torno a un punto de amplitud nula, llamado punto anfidrómico.

Las mareas reales

Las Mareas


Las mareas reales

Las Mareas


• Santander: semidiurna

Carrera máxima: 500 cm

• Las Palmas: semidiurna


• Málaga: semidiurna


• Barcelona: mixta

Rango máximo: 40 cm

Las mareas en la costa española:

Las Mareas


Presión atmosférica, viento y oleaje producen variaciones de nivel durante una tormenta: storm surge

Duración: horas a días Magnitud: decenas de cm a

varios metros

Huracán Carol: 31 de Agosto de 1954, Rhode Island (EEUU). Presión: 960 mb: Nivel: entre 2.5 y 3.5 m por encima de la marea astronómica

Influencia de la meteorología


Influencia de la meteorología sobre el nivel del mar:

Presión atmosférica: fuerza vertical

(disminución de 1 mb = aumento de

nivel de 1 cm, hipótesis de barómetro

Invertido)Viento: provoca desplazamiento

y apilamiento del agua en la costaOleaje el oleaje produce una

subida del nivel medio al llegar a

la costa: set-up de oleaje




Se puede predecir a corto plazo mediante modelos de circulación forzados con presión y viento de un modelo meteorológico:



Fecha Región Máximo residuo

Pérdidas

humanas

1864, 1876 Bangladesh ? 250000

Sept. 1900 Galveston, Texas 4.5 m 6000

Ener. 1953 Mar del Norte 3.0 m 2000

Novi. 1970 Bangladesh 9.0 m 500000

La magnitud de estas variaciones es mayor en latitudes altas, tormentosas y de aguas someras

Su impacto puede ser catastrófico en tierras bajas y deltas (Bangladesh, Holanda…)

“Storm surge” históricos:




Más recientemente: Huracán Katrina (Nueva Orleans, Agosto de 2005): máximo residuo 3.5 metros en el área del Delta del Misissipi

Mar del Norte, 9 de Noviembre de 2007: el mayor desde el “storm surge” histórico de 1953. Máximo residuo 2.40 m en Sheerness. No coincidió con la pleamar, menos daños

Ciclón Nargis (Myanmar, 2-4 de Mayo de 2008): 22000 muertos y mismo número de desaparecidos.

Sandy (costa Este de Estados Unidos, 2012)

Fenómeno frecuente, sin sistemas de alerta ni detección, la población está completamente desprotegida desprotegida




Fecha Zona Máximo residuo

Daños

Enero 1996 Galicia 60 cm Rotura paseo marítimo Coruña

Novi. 2001 Mediterráneo 70 cm Inundaciones y daños en puertos

Novi. 2002 Galicia 70 cm Acci. Prestige

Aunque de menor importancia en la costa española y menos impacto en vidas humanas, ocasionalmente se producen importantes daños en las infraestructuras relacionados con subidas de nivel del mar durante una tormenta:




10-16 de Noviembre de 2001: fuerte oleaje acompañado de una excepcional subida del nivel del mar y persistencia temporal

“ En la Comunidad Valenciana, olas de siete metros de altura destruyeron ayer tarde parte de la escollera del muelle de la Cerámica, situada en la zona norte del puerto de Castellón. La zona afectada de la escollera tiene una longitud de un kilómetro y está totalmente inundada y llena de cascotes..” (El País Digital, 16/11/2001)

“Unas treinta de carreteras quedaron cortadas y las olas se tragaron la arena de muchas playas. Algunas calles fueron invadidas por el mar” (El País Digital, 12/11/2001)




Noviembre 2001: máximos niveles del mar registrados por REDMAR:

Barcelona Valencia




Oscilaciones de nivel con periodos de varios minutos, que se superponen a la marea en puertos, bahías o golfos. Producidas por una perturbación en la presión atmosférica y el viento, que da lugar a un fenómeno de resonancia local

Periodo de oscilación depende de las dimensiones de la masa de agua afectada, y coincide con su periodo natural de oscilación:

En puertos y bahías, el nodo está situado cerca de la bocana o entrada, y el antinodo en el extremo cerrado:

gD

L4

gDn

L2

Secas:

Secas y Tsunamis


Secas:

Fenómeno frecuente en el Mediterráneo, donde la amplitud puede ser del orden o superior a la propia marea y a los efectos meteorológicos.

Ejemplo en Barcelona: periodo de oscilación 36 minutos

Secas y Tsunamis


Origen: movimiento vertical del fondo marino por una de las tres causas siguientes:

terremoto corrimiento de tierras erupción volcánica

La perturbación en el gradiente horizontal de presión se propaga como una onda apenas apreciable en aguas profundas, que se amplifica al llegar a aguas someras

Longitudes de onda de 100 a 200 km, periodos de minutos a horas

Pueden dar lugar a resonancias o “secas” en bahías o puertos

Tsunamis:

Secas y Tsunamis


Diferencia entre tsunami y oleaje producido por viento:

Oleaje: energía en la capa superficial del mar

Tsunami: energía en toda la columna de agua = cambio de nivel del mar

Tsunamis:

Secas y Tsunamis


El más reciente y devastador: terremoto de Indonesia (2004)

El más grave en en Europa: terremoto de Lisboa (1755)

El más reciente en Europa: terremoto de Argelia (2003)

Tsunamis:

Secas y Tsunamis


Características L~100 km, T~min-horas , C ≤ 800 km/h

El tsunami de Indonesia:

Secas y Tsunamis


Magn. Terr. >8.6 ??? Epicentro: 200 km. al sur

del Cabo San Vicente 10.000 muertos en

Cádiz y Huelva y Marruecos

Olas hasta Sevilla río arriba y de hasta 3 m en el Sur de Inglaterra

El tsunami de Lisboa (1755):

Secas y Tsunamis


El tsunami de Argelia (2003):

Un ejemplo cercano: el tsunami producido por el terremoto de Argel el 21 de Mayo de 2003 produjo graves daños en puertos de Baleares

Oscilaciones de nivel del mar de más de 1 metro en Mahón y San Antonio destrozaron decenas de caras embarcaciones deportivas

Secas y Tsunamis


Ejemplo del tsunami detectado por los mareógrafos de Puertos del Estado en el Mediterráneo tras el terremoto de Argelia del 21/05/2003

El tsunami de Argelia (2003):

Secas y Tsunamis


El nivel medio del mar ¿una referencia?

El nivel medio del mar, por su apariencia plana en relación a la tierra, se ha considerado históricamente una referencia de medida de altitudes

Sin embargo, la superficie media del mar SÍ presenta variaciones de altura de un lugar a otro y a lo largo del tiempo

Pero ¿quién diría Pero ¿quién diría que la que la superficie del mar está inclinada?superficie del mar está inclinada?

(Estrabón, “Geografía”)(Estrabón, “Geografía”)

Nivel medio del mar


Algunas definiciones importantes:

Definición de nivel medio del mar: altura de agua promediada en un periodo de tiempo suficientemente largo para filtrar las oscilaciones producidas por el oleaje, las “secas” y las mareas (diario, mensual, anual..)

Varía espacial y temporalmente, pero con un orden de magnitud normalmente mucho menor que las variaciones de mayor frecuencia (10 a 20 cm por siglo)

Nivel medio del mar en la costa (medidas de mareógrafos): nivel medio relativo a una señal de referencia en tierra, corresponde a la diferencia entre los movimientos verticales del terreno y el del nivel medio del mar (variación absoluta)

Nivel medio del mar


Variación espacial:

Elipsoide de revolución: forma que, distorsionada por la rotación terrestre, adoptaría la superficie equipotencial de la Tierra si la densidad de la misma fuese uniforme

Geoide: superficie equipotencial real que puede diferir en varias decenas de metros del elipsoide, debido a la densidad no homogénea de la Tierra

El geoide constituye la referencia para el cálculo de gradientes horizontales de presión Corrientes

Nivel medio del mar



x

Pfv

1

La superficie del mar no coincide con el geoide debido a:

la variación espacial de la densidad del agua (temperatura, salinidad y presión)variación espacial de la presión atmosférica y los vientos medios

Los cambios espaciales de nivel equivalen a gradientes horizontales de presión que dan lugar a corrientes (equilibrio geostrófico), en dirección perpendicular al gradiente:

Nivel medio del mar



El nivel medio del mar varía con respecto al geoide hasta 1 metro debido a diferencias de temperatura, salinidad, presiones y vientos medios y corrientes oceánicas

Ej: nivel medio en la costa Pacífica de Panamá 0.20 m superior al de la Atlántica

Diferencias del geoide respecto al elipsoide: -105 m ( Sur de India) a 75 m (Norte de Australia)

Nivel medio del mar



La variación espacial del nivel medio del mar refleja los patrones de circulación oceánica permanentes, como la Corriente del Golfo, o perturbaciones ocasionales en la misma como el fenómeno de El Niño (subida de nivel del mar en el Este del Pacífico)

Máximos niveles en zonas tropicales de Indico y Pacífico, y mínimos en torno a la Antártida

Nivel medio del mar


Ciclo estacional y variación interanual: El ciclo estacional

está producido por la variación de la radiación solar a lo largo del año y el diferente grado de calentamiento del agua

Influyen también las variaciones estacionales en presión y viento, y en las corrientes

Nivel medio del mar


Ciclo estacional y variación interanual:

La variabilidad interanual y decadal en el sistema océano-atmósfera produce importantes cambios de nivel del mar a gran escala

Ej: El Niño, causa

diferencias de nivel del

Mar de entre 20 y 30 cm

a ambos lados del

Pacífico

Nivel medio del mar


Cambios seculares y eustáticos: Cambios seculares: cambios en el nivel medio del mar a largo plazo Cambios eustáticos: cambios en el nivel medio del mar global Movimientos epirogénicos: movimientos verticales del terreno de

carácter regional

Problema: identificar y separar los cambios eustáticos y epirogénicos, cuando sólo se conocen los cambios seculares en estaciones particulares

Los cambios globales o eustáticos se producen cuando se altera el volumen total de agua en los océanos por: deshielo de los casquetes polares y los glaciares aumento de la temperatura del agua (expansión térmica) cambios en las reservas de agua dulce

Nivel medio del mar


Cambios seculares y eustáticos:

El nivel medio del mar experimenta cambios aparentemente lentos a lo largo de los siglos (milímetros/año)

Este ritmo se altera ante un cambio climático modificando la línea de costa: el nivel medio global subió 125 m una vez finalizado el deshielo tras el pico de la última glaciación, hace 21000 años

Los efectos de un cambio climático permanecen durante siglos e incluso milenios, aunque a un ritmo más lento

Nivel medio del mar


Los movimientos de la tierra:

Movimientos locales o regionales de la tierra pueden incrementar estos cambios en un factor de 2 ó 3 e incluso producir una aparente disminución del nivel del mar (ej: mar Báltico: rebote tras el deshielo)

Rampa romana en Corintio (Grecia), inicialmente cubierta por el nivel tras un período de subsidencia y elevada posteriormente por actividad tectónica

Nivel medio del mar


El efecto invernadero:

Los cambios en la cantidad de gases de efecto invernadero y aerosoles en la atmósfera, alteran el balance de energía del sistema climático

El calentamiento del planeta en la actualidad es inequívoco a partir de los datos de temperatura, nivel del mar y de la observación de glaciares y masas de hielo. Uno de los efectos más devastadores de este calentamiento es el aumento del nivel del mar

Los últimos estudios consideran prácticamente demostrado que estos cambios tienen al menos en parte origen antropogénico

Nivel medio del mar


El efecto invernadero: últimos datos (IPCC 2007) La temperatura global superficial ha aumentado entre 0.56 y 0.92º C

en los últimos 100 años (superior a la del IPCC del 2001) Este ritmo de calentamiento es probablemente el más importante del

último milenio (11 de los últimos 12 años están entre los 12 años más cálidos del registro histórico)

Nivel medio del mar


El efecto invernadero: últimos datos (IPCC 2007)

Datos mareógrafos y altimetría:

Subida del nivel medio en el siglo XX: entre 12 y 22cmSubida del nivel medio global 1961-2003: 1.8mm/añoRitmo de subida 1993-2003: 3.1 mm/año

Nivel medio del mar



La desaparición reciente de zonas de las masas de hielo de Groenlandia y la Antártida causa más probable del aumento del nivel del mar 1993-2003

La contribución del deshielo de los glaciares a la subida del nivel medio ha aumentado considerablemente desde 1960

Rotura Plat. Larsen, de 3000 km2 (2002)Rotura Plat. Larsen, de 3000 km2 (2002)

Nivel medio del mar



Nivel medio del mar


Consecuencias de la subida del nivel del mar:

Aumento de la erosión en playas (entre 50 y 200 veces el ritmo de subida del nivel medio) y acantilados

Aumento del daño durante inundaciones y tormentas, así como la frecuencia de éstas

Inundación de áreas bajas

Intrusión salina en acuíferos

Subida del nivel de la capa freática

Nivel medio del mar


Variaciones regionales de las tendencias

Nivel medio del mar


Impacto en la población:

Las zonas más afectadas serán las pequeñas islas y las zonas bajas (deltas) (en muchas ocasiones zonas densamente pobladas y con pocos recursos económicos y de adaptación)

Bangladesh podría perder el 17% de su costa ante una subida del nivel medio de un metro

Nivel medio del mar


Ciclo natural o efecto antropogénicoLos modelos confirman la influencia del hombre con más certeza en los últimos informes del IPCC

Nivel medio del mar


Últimas previsiones (IPCC 2007)

Nivel medio del mar


Últimas previsiones (IPCC 2007)

El nivel del mar subirá

entre 0.09 y 0.88 m en

los próximos 100 años,

aunque con grandes

variaciones regionales.

Nivel medio del mar


Observaciones frente a previsiones

Los datos observados de mareógrafos y altímetro siguen el umbral

superior de los rangos de subida de nivel previstos por el IPCC

Nivel medio del mar


El futuro…. (Meehl et al, Science, 2005)

En el futuro la contribución a la subida del nivel del mar del deshielo de los casquetes polares y los glaciares podría doblar la debida a la expansión térmica

Si la concentración de gases efecto invernadero se estabiliza en el valor actual: la temperatura irá estabilizándose durante unos 100 años, pero el nivel del mar, por efecto térmico, continuará subiendo imbatible a un ritmo muy superior al de la temperatura (tres veces más rápido)

Esto confirma que el efecto del cambio climático sobre el nivel del mar es mucho mayor y de más largo plazo que el efecto sobre la temperatura

Nivel medio del mar

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