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Mareas

Mareas
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Concepto:Es el cambio periódico del nivel del mar, producido principalmente por las Fuerzas gravitacionales que ejercen la Luna y el Sol.

Mareas. Es el cambio periódico del nivel del mar, producido principalmente por las fuerzas gravitacionales que ejercen la Luna y el Sol. Otros fenómenos pueden producir variaciones del nivel del mar. Uno de los más importantes es la variación de la Presión atmosférica, la cual varía corrientemente entre 990 y 1040 hectopascales y aún más en algunas ocasiones. Una variación de la presión de 1 hectopascal provoca una variación de 1 cm del nivel del océano, así que la variación del nivel del mar debida a la presión atmosférica es del orden de 50 cm. Algunos llaman a estas variaciones mareas barométricas. Otros fenómenos ocasionales, como los vientos, las lluvias, el desborde de ríos y los Tsunamis provocan variaciones del nivel del mar, pero no pueden ser calificados de mareas.

Historia

El fenómeno de mareas es conocido desde la antigüedad. Parece ser que Piteas (siglo IV a. C.) fue el primero en señalar la relación entre la amplitud de la marea y las fases de la Luna así como su periodicidad. Plinio el Viejo (23-79) en su Naturalis Historia describe correctamente el fenómeno y piensa que la marea está relacionada con la Luna y el Sol. Mucho más tarde, Bacon, Kepler y otros trataron de explicar ese fenómeno, admitiendo la atracción de la Luna y del Sol. Pero fue Isaac Newton en su obra Philosophiae Naturalis Principia Mathematica ('Principios matemáticos de la Filosofía Natural', 1687) quien dio la explicación de las mareas aceptada actualmente. Más tarde, Pierre-Simon Laplace (1749-1827) y otros científicos ampliaron el estudio de las mareas desde un punto de vista dinámico. Isaac Newton realizó varios estudios científicos del comportamiento de las mareas y calculó la altura de éstas según la fecha del mes, la estación del año y la latitud. Más tarde, Simon Laplace complementó los estudios de Newton.

Términos

A continuación se recogen los principales términos empleados en la descripción de las mareas:

  • Marea alta o pleamar: Momento en que el agua del mar alcanza su máxima altura dentro del ciclo de las mareas.
  • Marea baja o bajamar: Momento opuesto, en que el mar alcanza su menor altura.

El tiempo aproximado entre una pleamar y la bajamar es de 6 horas 12 minutos, completando un ciclo de 24 horas 50 minutos.

  • Flujo: El flujo es el proceso de ascenso lento y continuo de las aguas marinas, debido al incremento progresivo de la atracción lunar o solar.
  • Reflujo: El reflujo es el proceso de descenso de las aguas marinas, lento y progresivo, debido a la decadencia de la atracción lunar o solar.
  • Carrera ó amplitud de marea: Diferencia de altura entre pleamar y bajamar.
  • Rango micromareal, cuando la carrera de marea es menor de 2 metros.
  • Rango mesomareal, cuando la carrera de marea está comprendida entre los 2 metros y los 4 metros.
  • Rango macromareal, cuando la carrera de marea es mayor de 4 metros.
  • Semiperíodo de marea: Diferencia en el tiempo entre pleamar y bajamar.
  • Estoa de marea: Es el momento en el que el nivel permanece fijo en la pleamar o en la bajamar.
  • Estoa de corriente: Es el instante en que la corriente asociada a la marea se anula.
  • Establecimiento del puerto: Es el desfase existente, debido a la inercia de la Hidrosfera, entre el paso de la Luna por el meridiano del lugar y la aparición de la pleamar siguiente.
  • Edad de la marea: Es el desfase existente, por la misma razón, entre el paso de la Luna llena por el meridiano del lugar y la máxima pleamar mensual siguiente.
  • Unidad de altura: Promedio durante 19 años (un ciclo nodal o ciclo de metón) de las dos máximas carreras de marea (equinoccios) de cada año del ciclo.
  • Marea viva, alta o Sizigia: Son las mareas que se producen con la Luna llena y la Luna Nueva, cuando el Sol, la Luna y la Tierra se encuentran alineados. La Marea Viva que se produce durante la fase de Luna Nueva se denomina "Marea Viva de Conjunción"; y la que se produce mientras tiene lugar la fase de Luna Llena se llama "Marea Viva de Oposición".
  • Marea muerta, baja o de cuadratura: Son las mareas que se producen durante las fases de Cuarto Creciente y Cuarto Menguante, cuando las posiciones de la Tierra, el Sol y la Luna forman un ángulo aparente de 90º.
  • Líneas cotidales: Las líneas cotidales (del inglés tide: marea), son las líneas que unen los puntos en los cuales la pleamar es simultánea.
  • Puntos anfidrómicos o puntos de anfidromia: Son zonas hacia las cuales convergen las líneas cotidales y en las que la amplitud de la marea es cero.
  • Puerto patrón: son los puntos geográficos para las cuales se calcula y publica la predicción de fecha y altura de marea.
  • Puerto secundario: son puntos geográficos de interés para el navegante pero que no tienen publicado un cálculo de predicción de mareas, pero si una corrección en cuanto a hora y altura que los refiere a un puerto patrón y mediante la cual se puede determinar igualmente los datos de marea.
  • Tablas de marea: son las publicaciones anuales con la predicción diaria de las alturas de marea. Suministran, entre otros datos, fecha, hora y altura de marea para diferentes puntos a lo largo del litoral marítimo.

Fenómeno físico de las mareas

La explicación completa del mecanismo de las mareas, con todas las periodicidades, es extremamente larga y complicada. Así que se comenzará empleando todas las simplificaciones posibles para luego acercarse a la realidad suprimiendo algunas de estas simplificaciones. Se considerará que la Tierra es una esfera sin continentes rodeada por una hidrosfera y que gira alrededor del Sol en una trayectoria circular sin girar sobre su eje. Por ahora no se tendrá cuenta de la Luna. Cuando un astro está en órbita alrededor de otro, la fuerza de atracción gravitacional entre los dos viene dada por la Ley de gravitación universal de Newton: Fg = G {M1M2/(d 2)} donde:

  • scriptstyle{G = 6,67 10-11}(N • m 2)/(kg 2) es la Constante de gravitación universal.
  • scriptstyle{M1} y scriptstyle{M2} son las masas de los dos cuerpos.
  • scriptstyle{d } es la distancia entre los centros de masas de los dos astros.

Esta fuerza de atracción es la Fuerza centrípeta que hace que el astro describa un círculo. Fc = M2 omega2 R1 = G {M1M2/(d 2)} donde:

  • scriptstyle{M2} es la masa del astro.
  • scriptstyle{ omega = {(2 pi)/T}} es la Velocidad angular del astro y scriptstyle{T } su Período orbital.
  • scriptstyle{R1} es la distancia entre el Centro de masas del astro y el centro de rotación, que coincide con el centro de masas de los dos astros. Si el otro astro es mucho más masivo ( scriptstyle{M1, M2} ), el centro de rotación está muy cerca del centro de masas del astro masivo y scriptstyle{R1~eq d } . Es el caso que ocurre con la Tierra y el Sol.

El valor de la aceleración de gravedad debida al Sol es exactamente el que corresponde a una órbita con la velocidad angular scriptstyle (omega) y con el centro de masas terrestre a una distancia scriptstyle{d } del Sol. Todas las partes de la Tierra tienen la misma velocidad angular alrededor del Sol, pero no están a la misma distancia. Las que están más lejos que el centro de masas sentirán una aceleración de gravedad menor que la necesaria y la que están a una distancia inferior sentirán una aceleración mayor que la necesaria. Existe otra fuerza, del mismo orden de magnitud, debida al hecho que las fuerzas de atracción convergen hacia el centro del Sol, que se encuentra situado a una distancia finita. Se describirá más adelante.

En algunas Fuentes se comete el error de añadir las aceleraciones centrífugas. Si opta por utilizar un Sistema de referencia inercial (inmóvil respecto a la estrellas), no se deben tener en cuenta las fuerzas centrífugas, que son fuerzas ficticias y que sólo aparecen en sistemas de referencia acelerados. Un observador en la Tierra ve fuerzas centrífugas porque la Tierra está en caída libre hacia el Sol. En cambio, para un observador exterior fijo, solo existen las fuerzas reales, como la fuerza de atracción que constituye la fuerza centrípeta. El resultado de este pequeño desequilibrio de fuerzas es que el agua de los océanos situada en el lado opuesto al Sol siente una fuerza que la empuja hacia el exterior de la órbita, mientras que el agua situada en el lado orientado hacia el Sol siente una fuerza que la empuja hacia dicho astro. La consecuencia es que la esfera de agua que recubre a la Tierra se alarga ligeramente y se transforma en un Elipsoide de revolución cuyo eje mayor está dirigido hacia el Sol. Se verá que este alargamiento relativo es muy pequeño: del orden de uno entre diez millones.

Mareas solares

Para calcular la amplitud de las mareas solares, se construyen dos pozos imaginarios desde la superficie hasta el centro de la Tierra. Uno es paralelo a la recta que une la Tierra y el Sol y el otro es perpendicular. La fuerza y la aceleración que siente el agua en el pozo perpendicular son casi paralelas al eje Tierra-Sol, pero no exactamente. La razón es que el Sol está a una distancia finita y las fuerzas están dirigidas hacia el centro del Sol y no son totalmente paralelas. Calculemos la componente de la aceleración de gravedad perpendicular al eje Tierra-Sol, scriptstyle{ Delta as} , que experimenta el agua situada a una distancia scriptstyle{r } del centro de la Tierra. Sin más que proyectar el vector de aceleración, se llega a que: {( Delta as)/as} = {r/d} Aquí, scriptstyle{as} es la aceleración debida a la atracción del Sol: as = G {Ms/(d 2)} En esta última fórmula, scriptstyle{Ms = 1,987 1030}kg es la masa del Sol y scriptstyle{d = 150 109m } es la distancia de la Tierra al Sol. Por su parte, la componente perpendicular al eje queda: Delta as = G {Ms/(d 2)} {r/d} Esta aceleración varía linealmente entre el centro de la Tierra y la superficie. El valor medio se obtiene reemplazando scriptstyle{r } por scriptstyle{R/2} , donde scriptstyle{R = 6,366 106m } es el radio de la Tierra. Esta aceleración añade un "peso" adicional a la columna de agua del pozo y hace que la presión en el fondo aumente una cantidad scriptstyle{ rho overline{ Delta as} R } , donde scriptstyle{ rho} es la Densidad del agua. Este aumento de la presión, transmitido a la superficie del océano, se corresponde con una variación scriptstyle{h } del nivel del océano dada por la fórmula scriptstyle{P = rho g h } (donde scriptstyle{g = 9,81 m/s2} es la aceleración de gravedad terrestre): h = G El cálculo numérico da una variación de 8,14 cm. Se pasará ahora a calcular la disminución scriptstyle{ Delta ag} de la aceleración de gravedad ocasionada por el Sol en un punto situado a una distancia scriptstyle{r } del centro de la Tierra. Añadiendo esta distancia adicional en la fórmula de la aceleración gravitatoria: ag = G {Ms/((d+r)2)} = G {Ms/(d 2 + 2rd + r 2)} = nG{Ms/(d 2(1 + 2{r/d} +(r/d)2))}~eq G {Ms/(d 2)}(1-2 {r/d}) El primer sumando se corresponde con la aceleración para un cuerpo situado a una distancia scriptstyle{d } . Por tanto, la disminución de la aceleración es: Delta ag = G {Ms/(d 2)}2 {r/d} A su vez, la aceleración media es: overline{ Delta ag} = G {Ms/(d 3)}R La variación de presión es, como en el caso anterior, scriptstyle{ rho overline{ Delta ag} R } , por lo que: h = G {Ms/(d 3)} {(R 2)/g} Esta aceleración da un aumento de la altura del océano de 16,28 cm. Con la suma de los dos efectos, el semieje mayor del elipsoide es 24,4 cm mayor que el semieje menor. Como la Tierra gira, un punto situado en el Ecuador ve la altura del mar llegar a un máximo (pleamar) dos veces por día: cada vez que dicho punto pasa por el semieje mayor. De la misma manera, cada vez que el punto pasa por un semieje menor, la altura del mar pasa por un mínimo (bajamar). La diferencia entre la pleamar y la bajamar es de 24,4 cm. Pero no hay que olvidar que esto sólo es la parte debida al Sol, que no hay continentes y que no se ha tenido en cuenta la inclinación del eje de rotación de la Tierra. La variación de la altura del mar se puede aproximar por una Sinusoide con un período de 12 horas.

Mareas lunares

La Luna gira alrededor de la Tierra, pero esta última no está inmóvil. En realidad, tanto la Luna como la Tierra giran alrededor del centro de masas de las dos. Este punto se sitúa a 4.670 km del centro de la Tierra. Como el radio de la Tierra es de 6.366 km, el centro de masas se encuentra a unos 1.700 km de profundidad bajo su superficie. La Luna tiene una masa scriptstyle{M _ ell = 7,349 1022} kg y está a una distancia media de la Tierra de scriptstyle{d _ ell = 3,84 108} m. El cálculo de las mareas lunares es similar al cálculo de las mareas solares. Basta con reemplazar la masa y la distancia del Sol por las de la Luna. La diferencia de altura del océano debida al no paralelismo de las fuerzas es:

h = G

El cálculo numérico nos da una variación de 17,9 cm. La diferencia de altura del océano provocada por diferencia de atracción debida a las distancias diferentes respecto a la Luna es: h = G

El cálculo numérico nos da una variación de 35,6 cm. La diferencia de longitud entre el semieje mayor y el semieje menor del elipsoide debido a las mareas lunares de 53,6 cm. Por tanto, la amplitud de las mareas lunares es, aproximadamente, dos veces mayor que las de las mareas solares. Como para las mareas solares, la variación de la altura del mar en un punto de la superficie terrestre se puede aproximar por una sinusoide. Esta vez, el período es 12 horas, 25 minutos y 10 segundos.

Influencia de los continentes

En el cálculo simplificado que se ha realizado, en el cual la Tierra no tiene continentes y está recubierta de una hidrosfera continua, la distancia entre las dos posiciones de pleamar es de 20.000 km. La zona de océano cuyo nivel es más alto que el valor medio tiene un diámetro de 10.000 km. Esa distancia es mayor que la distancia entre América y Europa o África y se corresponde con el ancho del Océano Pacífico. Para que todo un océano como el Atlántico o el Pacífico aumentasen de nivel, el contenido total de agua tendría que aumentar. Como los continentes impiden ese movimiento lateral de todo el océano, el modelo de la onda semidiurna no se corresponde con la realidad. En la imagen de derecha se puede ver que la altura de los océanos no sigue una onda que se desplaza de derecha a izquierda (hacia el Oeste). El desplazamiento del agua y de los máximos y mínimos es mucho más complicado.

En el modelo sin continentes, las líneas cotidales coinciden con los meridianos. En la imagen de la derecha en color están representadas las líneas cotidales del planisferio y el color del fondo corresponde a la amplitud de mareas. En la imagen en blanco y negro, las líneas cotidales están más detalladas y el número se corresponde con el retardo en horas con respecto a una línea de referencia. Estas líneas cotidales se corresponden con una situación astronómica particular (Luna creciente, equinoccios, etc.) y cambian con el tiempo. En las dos imágenes se observa que hay líneas cotidales que convergen hacia puntos anfidrómicos, en los cuales la amplitud de la marea es cero. La situación es aún más marcada en los mares interiores, cuyas dimensiones son aún menores que las de los océanos. Así, el Atlántico no puede llenar o vaciar el Mar Mediterráneo a través el estrecho de Gibraltar. Las aguas del Mediterráneo solo pueden desplazarse hacia el Este o hacia el Oeste, subiendo en un extremo y bajando en el otro. El resultado final se complica por la forma de las costas que limitan y desvían ese movimiento lateral. Las mareas en las costas

  • Grandes mareas
  • Localidad - Amplitud(m)
  • Burntcoat Head, Minas Basin, Bahía de Fundy (Nueva Escocia, Canadá) - 11,7
  • Leaf Lake, Bahía de Ungava (Quebec, Canadá) - 9,8
  • Newport, Canal de Bristol (Inglaterra) - 9,2
  • Sunrise, Turnagain Arm, en el Cook Inlet (Alaska, EE.UU.) - 9,2
  • Río Gallegos (Reducción Beacon) (Argentina) - 8,8
  • Entrada del río Koksoak, en la Bahía de Hudson (Canadá) - 8,7
  • Granville, Bahía del Monte Saint-Michel (Francia) - 8,6
  • Banco Dirección, en el Estrecho de Magallanes (Chile) - 8,5

Como se ha visto, la amplitud de las mareas en alta mar es menor que 1 metro. En cambio, cerca de las costas la amplitud es generalmente mayor y en algunos casos alcanza o sobrepasa los 10 metros. En la tabla siguiente figuran algunos de los lugares donde se producen grandes mareas. Se ha puesto un solo lugar por zona.

Corrientes de marea

La variación de nivel del mar sobre la plataforma continental exige un movimiento alternativo del agua hacia la costa y hacia el mar. Como la profundidad del agua no es la misma cuando la marea sube que cuando baja, la forma de los obstáculos no es la misma, y la dirección y la velocidad de la corriente tampoco es la misma. El vector velocidad dibuja una especie de elipsoide cuyo eje mayor es más o menos paralelo a la costa. En sitios donde las mareas tienen gran amplitud, las velocidades del mar también pueden ser muy grandes. Por ejemplo, en el Canal de la Mancha, en el (en el extremo oeste de Bretaña, en Francia) y en el (al norte de la península del Cotentín, también en Francia), la corriente sobrepasa los 10 nudos (18 km/h) durante las grandes mareas. En el estrecho de Mesina, la corriente puede llegar a 5 nudos.

Mareas terrestres

Las fuerzas de gravedad que provocan las mareas de los océanos también deforman la corteza terrestre. La deformación es importante y la amplitud de la marea terrestre llega a unos 25 a 30 cm en Sizigia y casi 50 cm durante los Equinoccios.

Influencia de la Luna

Por efecto de la rotación de la Tierra, el agua tiende a escapar de la atracción gravitatoria por inercia. Esta tendencia es constante en todos los puntos de la superficie.

La fuerza de atracción gravitatoria que ejerce la Luna sobre la Tierra es mayor en la zona de la superficie terrestre más próxima al satélite y menor en la más distante. Por este motivo en estos dos puntos de la Tierra el agua experimenta elevaciones: en el primero, hacia la Luna, y en el segundo, alejándose de ella. Así se originan las mareas altas. Durante un giro de la Tierra sobre sí misma, es decir, un día, todos los puntos de la superficie se situarán una vez en la posición más cercana y en la más alejada de la Luna, con lo cual, todas las aguas experimentarán a lo largo de un día en dos posiciones intermedias, durante las que se producirán las mareas bajas.

Influencia del Sol

La influencia del Sol sobre las mareas es menor, pues aunque el tamaño es mucho mayor que el de la Luna, se encuentra más alejado de la Tierra que el Satélite. Sin embargo, si la Luna y el Sol se alinean las mareas son algo más extremas; son las llamadas mareas vivas. La confluencia de estos dos factores a lo largo del año no siempre es la misma, de tal manera que en primavera, en determinados lugares hay una supermarea que en función de la geografía de la costa puede parecer una ola gigantesca, como en el Amazonas o en China (la más grande del mundo).

Fuente

  • Revista Mar y Pesca