La oceanografía (del griego antiguo ὠκεανός ( ōkeanós ) ' océano ' y γραφή ( graphḗ ) ' escritura '), también conocida como oceanología , ciencia del mar , ciencia oceánica y ciencia marina , es el estudio científico del océano , incluyendo su física , química , biología y geología .
Es una ciencia de la Tierra que cubre una amplia gama de temas, incluidas las corrientes oceánicas , las olas y la dinámica de fluidos geofísicos ; los flujos de diversas sustancias químicas y propiedades físicas dentro del océano y a través de sus límites; la dinámica de los ecosistemas ; y la tectónica de placas y la geología del fondo marino .
Los oceanógrafos recurren a una amplia gama de disciplinas para profundizar su comprensión de los océanos del mundo, incorporando conocimientos de la astronomía , la biología , la química , la geografía , la geología , la hidrología , la meteorología y la física .
Los seres humanos adquirieron por primera vez conocimiento sobre las olas y las corrientes de los mares y océanos en tiempos prehistóricos. Aristóteles y Estrabón registraron observaciones sobre las mareas entre el 384 y el 322 a. C. [1] Las primeras exploraciones de los océanos se realizaron principalmente con fines cartográficos y se limitaron principalmente a sus superficies y a los animales que los pescadores capturaban con redes, aunque también se realizaron sondeos de profundidad con cabos de plomo.
La campaña portuguesa de navegación atlántica es el primer ejemplo de un gran proyecto científico sistemático, sostenido durante muchas décadas, para estudiar las corrientes y los vientos del Atlántico.
El trabajo de Pedro Nunes (1502-1578) es recordado en el contexto de la navegación por la determinación de la curva loxodrómica: el trayecto más corto entre dos puntos de la superficie de una esfera representada en un mapa bidimensional. [2] [3] Cuando publicó su "Tratado de la esfera" (1537), en su mayor parte una traducción comentada de trabajos anteriores de otros, incluyó un tratado sobre métodos geométricos y astronómicos de navegación. Allí afirma claramente que las navegaciones portuguesas no eran una empresa aventurera:
"nam se fezeram indo a acertar: mas partiam os nossos mareantes muy ensinados e prouidos de estromentos e regras de astrología e geometria que sam as cousas que os cosmographos ham dadar apercebidas (...) e leuaua cartas muy particularmente rumadas e na ja as de que os antigos vsauam" (no fueron hechos por casualidad: pero nuestros marinos partieron bien instruidos y provistos de instrumentos y reglas de astrología (astronomía) y geometría que eran materias que les proporcionaban los cosmógrafos (...) y tomaban cartas con exactitud rutas y ya no las utilizadas por los antiguos). [4]
Su credibilidad se basa en su participación personal en la instrucción de pilotos y navegantes de alto nivel desde 1527 en adelante por nombramiento real, junto con su reconocida competencia como matemático y astrónomo. [2] El principal problema para navegar de regreso desde el sur de las Islas Canarias (o al sur de Boujdour ) solo a vela se debe al cambio en el régimen de vientos y corrientes: el giro del Atlántico Norte y la contracorriente ecuatorial [5] empujarán hacia el sur a lo largo del abultamiento noroeste de África, mientras que los vientos inciertos donde los alisios del noreste se encuentran con los alisios del sudeste (los doldrums) [6] dejan a un barco de vela a merced de las corrientes. Juntos, la corriente y el viento predominantes hacen que el progreso hacia el norte sea muy difícil o imposible. Fue para superar este problema y despejar el paso a la India alrededor de África como una ruta comercial marítima viable, que los portugueses idearon un plan sistemático de exploración. La ruta de regreso desde las regiones al sur de Canarias se convirtió en la ' volta do largo' o 'volta do mar '. El "redescubrimiento" de las islas Azores en 1427 es simplemente un reflejo de la mayor importancia estratégica de las islas, ahora situadas en la ruta de regreso desde la costa occidental de África (llamada secuencialmente "volta de Guiné" y "volta da Mina"); y las referencias al Mar de los Sargazos (también llamado en la época "Mar da Baga"), al oeste de las Azores , en 1436, revelan la extensión occidental de la ruta de regreso. [7] Esto es necesario, a vela, para aprovechar los vientos del sureste y noreste lejos de la costa occidental de África, hasta las latitudes del norte donde los vientos del oeste llevarán a los navegantes hacia las costas occidentales de Europa. [8]
El secreto que rodeaba las navegaciones portuguesas, con pena de muerte para la filtración de mapas y rutas, concentró todos los registros sensibles en el Archivo Real, completamente destruido por el terremoto de Lisboa de 1775. Sin embargo, el carácter sistemático de la campaña portuguesa, cartografiando las corrientes y vientos del Atlántico, se demuestra por la comprensión de las variaciones estacionales, con expediciones que partían en diferentes momentos del año tomando diferentes rutas para tener en cuenta los vientos predominantes estacionalmente. Esto sucede ya a finales del siglo XV y principios del XVI: Bartolomeu Dias siguió la costa africana en su camino hacia el sur en agosto de 1487, mientras que Vasco da Gama tomaría una ruta en mar abierto desde la latitud de Sierra Leona , pasando tres meses en el mar abierto del Atlántico Sur para aprovechar la desviación hacia el sur del suroeste en el lado brasileño (y la corriente brasileña que iba hacia el sur - Gama partió en julio de 1497); y Pedro Álvares Cabral (que partió en marzo de 1500) tomó un arco aún más grande hacia el oeste, desde la latitud de Cabo Verde, evitando así el monzón de verano (que habría bloqueado la ruta tomada por Gama en el momento en que zarpó). [9] Además, hubo expediciones sistemáticas que se adentraron en el Atlántico norte occidental (Teive, 1454; Vogado, 1462; Teles, 1474; Ulmo, 1486). [10] Los documentos relacionados con el suministro de barcos y el pedido de tablas de declinación solar para el Atlántico sur para 1493-1496, [11] sugieren una actividad bien planificada y sistemática que tuvo lugar durante el período de una década entre el hallazgo de Bartolomeu Dias del extremo sur de África y la partida de Gama; además, hay indicios de viajes posteriores de Bartolomeu Dias en el área. [7] La consecuencia más significativa de este conocimiento sistemático fue la negociación del Tratado de Tordesillas en 1494, desplazando la línea de demarcación 270 leguas al oeste (de 100 a 370 leguas al oeste de las Azores), llevando lo que hoy es Brasil al área de dominio portugués. El conocimiento obtenido de la exploración en mar abierto permitió los bien documentados períodos prolongados de navegación sin avistar tierra, no por accidente sino como una ruta planificada predeterminada; por ejemplo, los 30 días de Bartolomeu Dias que culminaron en Mossel Bay , los tres meses que Gama pasó en el Atlántico Sur para utilizar la corriente de Brasil (hacia el sur), o los 29 días que Cabral tardó desde Cabo Verde hasta desembarcar en Monte Pascoal , Brasil.
La expedición danesa a Arabia de 1761-67 puede considerarse la primera expedición oceanográfica del mundo, ya que el barco Grønland tenía a bordo un grupo de científicos, entre ellos el naturalista Peter Forsskål , a quien el rey Federico V le asignó una tarea explícita : estudiar y describir la vida marina en mar abierto, incluida la búsqueda de la causa de los mares lechosos. Para este propósito, la expedición estaba equipada con redes y raspadores, diseñados específicamente para recolectar muestras de las aguas abiertas y del fondo a gran profundidad. [12]
Aunque Juan Ponce de León fue el primero en identificar la Corriente del Golfo en 1513 , y la corriente era bien conocida por los navegantes, Benjamin Franklin realizó el primer estudio científico de ella y le dio su nombre. Franklin midió las temperaturas del agua durante varias travesías del Atlántico y explicó correctamente la causa de la Corriente del Golfo. Franklin y Timothy Folger imprimieron el primer mapa de la Corriente del Golfo en 1769-1770. [13] [14]
La información sobre las corrientes del océano Pacífico fue recopilada por exploradores de finales del siglo XVIII, entre ellos James Cook y Louis Antoine de Bougainville . James Rennell escribió los primeros libros de texto científicos sobre oceanografía, detallando los flujos de corrientes de los océanos Atlántico e Índico . Durante un viaje alrededor del Cabo de Buena Esperanza en 1777, trazó un mapa de "los bancos y corrientes en las Lagullas " . También fue el primero en comprender la naturaleza de la corriente intermitente cerca de las islas Sorlingas (ahora conocida como corriente de Rennell). [15] Las mareas y las corrientes del océano son distintas. Las mareas son el ascenso y descenso de los niveles del mar creados por la combinación de las fuerzas gravitacionales de la Luna junto con el Sol (el Sol solo en una medida mucho menor) y también son causadas por la Tierra y la Luna orbitando entre sí. Una corriente oceánica es un movimiento continuo y dirigido del agua de mar generado por una serie de fuerzas que actúan sobre el agua, entre ellas el viento, el efecto Coriolis , las olas rompientes , el cabrestante y las diferencias de temperatura y salinidad . [16]
En 1840, Sir James Clark Ross realizó el primer sondeo moderno en aguas profundas y Charles Darwin publicó un artículo sobre los arrecifes y la formación de atolones como resultado del segundo viaje del HMS Beagle entre 1831 y 1836. Robert FitzRoy publicó un informe en cuatro volúmenes sobre los tres viajes del Beagle . Entre 1841 y 1842, Edward Forbes realizó dragados en el mar Egeo que sentaron las bases de la ecología marina.
El primer superintendente del Observatorio Naval de los Estados Unidos (1842-1861), Matthew Fontaine Maury, dedicó su tiempo al estudio de la meteorología marina, la navegación y el trazado de mapas de vientos y corrientes predominantes. Su libro de texto de 1855 Physical Geography of the Sea fue uno de los primeros estudios oceanográficos exhaustivos. Muchas naciones enviaron observaciones oceanográficas a Maury al Observatorio Naval, donde él y sus colegas evaluaron la información y distribuyeron los resultados en todo el mundo. [17]
El conocimiento de los océanos se limitaba a las pocas brazas de agua que había en la superficie y a una pequeña parte del fondo, principalmente en zonas poco profundas. Casi nada se sabía de las profundidades oceánicas. Los esfuerzos de la Marina Real Británica por cartografiar todas las costas del mundo a mediados del siglo XIX reforzaron la vaga idea de que la mayor parte del océano era muy profundo, aunque se sabía poco más. A medida que la exploración despertaba el interés popular y científico por las regiones polares y África , también lo hacían los misterios de los océanos inexplorados.
El evento seminal en la fundación de la ciencia moderna de la oceanografía fue la expedición Challenger de 1872-1876 . Como el primer crucero oceanográfico verdadero, esta expedición sentó las bases para toda una disciplina académica y de investigación. [18] En respuesta a una recomendación de la Royal Society , el gobierno británico anunció en 1871 una expedición para explorar los océanos del mundo y realizar una investigación científica apropiada. Charles Wyville Thomson y Sir John Murray lanzaron la expedición Challenger . Challenger , arrendado a la Marina Real, fue modificado para el trabajo científico y equipado con laboratorios separados para historia natural y química . [19] Bajo la supervisión científica de Thomson, Challenger viajó casi 70.000 millas náuticas (130.000 km) de reconocimiento y exploración. En su viaje alrededor del mundo, [19] se tomaron 492 sondeos de aguas profundas, 133 dragas de fondo, 151 redes de arrastre en aguas abiertas y 263 observaciones en serie de la temperatura del agua. [20] Se descubrieron alrededor de 4.700 nuevas especies de vida marina. El resultado fue el Informe de los resultados científicos del viaje de exploración del HMS Challenger durante los años 1873-76 . Murray, quien supervisó la publicación, describió el informe como "el mayor avance en el conocimiento de nuestro planeta desde los célebres descubrimientos de los siglos XV y XVI". Luego fundó la disciplina académica de la oceanografía en la Universidad de Edimburgo , que siguió siendo el centro de investigación oceanográfica hasta bien entrado el siglo XX. [21] Murray fue el primero en estudiar las fosas marinas y, en particular, la dorsal mesoatlántica , y cartografiar los depósitos sedimentarios en los océanos. Trató de cartografiar las corrientes oceánicas del mundo basándose en observaciones de salinidad y temperatura, y fue el primero en comprender correctamente la naturaleza del desarrollo de los arrecifes de coral .
A finales del siglo XIX, otras naciones occidentales también enviaron expediciones científicas (al igual que individuos e instituciones privadas). El primer barco oceanográfico construido especialmente, el Albatros , se construyó en 1882. En 1893, Fridtjof Nansen dejó que su barco, el Fram , se congelara en el hielo del Ártico. Esto le permitió obtener datos oceanográficos, meteorológicos y astronómicos en un punto fijo durante un período prolongado.
En 1881, el geógrafo John Francon Williams publicó un libro seminal, Geografía de los océanos . [22] [23] [24] Entre 1907 y 1911, Otto Krümmel publicó el Handbuch der Ozeanographie , que influyó en el despertar del interés público por la oceanografía. [25] La expedición de cuatro meses de 1910 al Atlántico Norte encabezada por John Murray y Johan Hjort fue el proyecto de investigación oceanográfica y zoológica marina más ambicioso jamás montado hasta entonces, y condujo al clásico libro de 1912 Las profundidades del océano .
La primera medición acústica de la profundidad del mar se realizó en 1914. Entre 1925 y 1927, la expedición "Meteor" recopiló 70.000 mediciones de la profundidad del océano utilizando una ecosonda, inspeccionando la dorsal mesoatlántica.
En 1934, Easter Ellen Cupp , la primera mujer en obtener un doctorado (en Scripps) en los Estados Unidos, completó un importante trabajo sobre diatomeas [26] que siguió siendo la taxonomía estándar en el campo hasta mucho después de su muerte en 1999. En 1940, Cupp fue despedida de su puesto en Scripps. Sverdrup elogió específicamente a Cupp como una trabajadora concienzuda y trabajadora y comentó que su decisión no era un reflejo de su capacidad como científica. Sverdrup utilizó el puesto de instructor que dejó vacante Cupp para contratar a Marston Sargent, un biólogo que estudiaba algas marinas, que no era un programa de investigación nuevo en Scripps. Las presiones financieras no impidieron que Sverdrup contratara los servicios de otros dos jóvenes estudiantes de posdoctorado, Walter Munk y Roger Revelle . La pareja de Cupp, Dorothy Rosenbury, le encontró un puesto como profesora de secundaria, donde permaneció durante el resto de su carrera. (Russell, 2000)
Sverdrup, Johnson y Fleming publicaron The Oceans en 1942, [27] lo que marcó un hito importante. The Sea (en tres volúmenes, que abarca la oceanografía física, el agua de mar y la geología), editado por M.N. Hill, se publicó en 1962, mientras que la Encyclopedia of Oceanography de Rhodes Fairbridge se publicó en 1966.
La Gran Grieta Global, que corre a lo largo de la Dorsal Mesoatlántica, fue descubierta por Maurice Ewing y Bruce Heezen en 1953 y cartografiada por Heezen y Marie Tharp utilizando datos batimétricos; en 1954, el Instituto Ártico de la URSS descubrió una cadena montañosa bajo el Océano Ártico. La teoría de la expansión del fondo marino fue desarrollada en 1960 por Harry Hammond Hess . El Programa de Perforaciones Oceánicas comenzó en 1966. Los respiraderos de aguas profundas fueron descubiertos en 1977 por Jack Corliss y Robert Ballard en el sumergible DSV Alvin .
En la década de 1950, Auguste Piccard inventó el batiscafo y utilizó el batiscafo Trieste para investigar las profundidades del océano. El submarino nuclear estadounidense Nautilus realizó el primer viaje bajo el hielo hasta el Polo Norte en 1958. En 1962 se desplegó por primera vez la FLIP (Floating Instrument Platform), una boya de mástil de 108 m (355 pies).
En 1968, Tanya Atwater dirigió la primera expedición oceanográfica integrada exclusivamente por mujeres. Hasta entonces, las políticas de género restringían en gran medida la participación de oceanógrafas en los viajes.
Desde la década de 1970, se ha hecho mucho hincapié en la aplicación de ordenadores de gran escala a la oceanografía para permitir predicciones numéricas de las condiciones oceánicas y como parte de la predicción general del cambio ambiental. Las primeras técnicas incluían ordenadores analógicos (como el Ishiguro Storm Surge Computer ), que en general han sido reemplazados por métodos numéricos (por ejemplo, SLOSH ). Se instaló un conjunto de boyas oceanográficas en el Pacífico para permitir la predicción de fenómenos de El Niño .
En 1990 comenzó el Experimento de Circulación Oceánica Mundial (WOCE), que continuó hasta 2002. Los datos de mapeo del fondo marino obtenidos mediante Geosat estuvieron disponibles en 1995.
El estudio de los océanos es fundamental para comprender los cambios en el equilibrio energético de la Tierra junto con los cambios globales y regionales relacionados en el clima , la biosfera y la biogeoquímica . La atmósfera y el océano están vinculados debido a la evaporación y la precipitación , así como al flujo térmico (y la insolación solar ). Estudios recientes han avanzado el conocimiento sobre la acidificación de los océanos , el contenido de calor de los océanos , las corrientes oceánicas , el aumento del nivel del mar , el ciclo del carbono oceánico , el ciclo del agua , la disminución del hielo marino del Ártico , el blanqueamiento de los corales , las olas de calor marinas , el clima extremo , la erosión costera y muchos otros fenómenos relacionados con el cambio climático en curso y las retroalimentaciones climáticas .
En general, la comprensión del océano mundial a través de un mayor estudio científico permite una mejor gestión y utilización sostenible de los recursos de la Tierra. [28] La Comisión Oceanográfica Intergubernamental informa que el 1,7% del gasto total de investigación nacional de sus miembros se centra en la ciencia oceánica. [29]
El estudio de la oceanografía se divide en estas cinco ramas:
La oceanografía biológica investiga la ecología y la biología de los organismos marinos en el contexto de las características físicas, químicas y geológicas de su entorno oceánico.
La oceanografía química es el estudio de la química del océano. Mientras que la oceanografía química se ocupa principalmente del estudio y la comprensión de las propiedades del agua de mar y sus cambios, la química oceánica se centra principalmente en los ciclos geoquímicos . El siguiente es un tema central investigado por la oceanografía química.
La acidificación de los océanos describe la disminución del pH de los océanos que es causada por las emisiones antropogénicas de dióxido de carbono ( CO 2 ) a la atmósfera . [30] El agua de mar es ligeramente alcalina y tenía un pH preindustrial de aproximadamente 8,2. Más recientemente, las actividades antropogénicas han aumentado de manera constante el contenido de dióxido de carbono de la atmósfera; alrededor del 30-40% del CO 2 agregado es absorbido por los océanos, formando ácido carbónico y reduciendo el pH (ahora por debajo de 8,1 [31] ) a través de la acidificación de los océanos. [32] [33] [34] Se espera que el pH alcance 7,7 para el año 2100. [35]
Un elemento importante para los esqueletos de los animales marinos es el calcio , pero el carbonato de calcio se vuelve más soluble con la presión, por lo que las conchas y esqueletos de carbonato se disuelven por debajo de la profundidad de compensación de carbonato . [36] El carbonato de calcio se vuelve más soluble a un pH más bajo, por lo que es probable que la acidificación de los océanos afecte a los organismos marinos con conchas calcáreas, como ostras, almejas, erizos de mar y corales, [37] [38] y la profundidad de compensación de carbonato aumentará más cerca de la superficie del mar. Los organismos planctónicos afectados incluirán pterópodos , cocolitofóridos y foraminíferos , todos importantes en la cadena alimentaria . En las regiones tropicales, es probable que los corales se vean gravemente afectados a medida que se vuelven menos capaces de construir sus esqueletos de carbonato de calcio, [39] a su vez afectando negativamente a otros habitantes de los arrecifes . [35]
El ritmo actual de cambio de la química de los océanos parece no tener precedentes en la historia geológica de la Tierra, por lo que no está claro cómo se adaptarán los ecosistemas marinos a las condiciones cambiantes del futuro cercano. [40] De particular preocupación es la forma en que la combinación de la acidificación con los factores de estrés adicionales esperados de temperaturas oceánicas más altas y niveles más bajos de oxígeno afectarán los mares. [41]
La oceanografía geológica es el estudio de la geología del fondo del océano, incluida la tectónica de placas y la paleoceanografía .
La oceanografía física estudia los atributos físicos del océano, incluida la estructura de temperatura y salinidad, la mezcla, las olas superficiales , las olas internas, las mareas superficiales , las mareas internas y las corrientes . Los siguientes son los temas centrales que investiga la oceanografía física.
Desde las primeras expediciones oceánicas en oceanografía, un interés principal fue el estudio de las corrientes oceánicas y las mediciones de temperatura. Las mareas , el efecto Coriolis , los cambios en la dirección y la fuerza del viento , la salinidad y la temperatura son los principales factores que determinan las corrientes oceánicas. La circulación termohalina (CTH) ( termo- se refiere a la temperatura y -halino se refiere al contenido de sal ) conecta las cuencas oceánicas y depende principalmente de la densidad del agua de mar . Cada vez es más común referirse a este sistema como la "circulación de vuelco meridional" porque explica con mayor precisión otros factores impulsores más allá de la temperatura y la salinidad.
El contenido de calor oceánico (OHC) se refiere al calor adicional almacenado en el océano a partir de los cambios en el balance energético de la Tierra . El aumento del calor oceánico juega un papel importante en el aumento del nivel del mar , debido a la expansión térmica . El calentamiento de los océanos representa el 90% de la acumulación de energía asociada con el calentamiento global desde 1971. [42] [43]
La paleoceanografía es el estudio de la historia de los océanos en el pasado geológico en lo que respecta a la circulación, la química, la biología, la geología y los patrones de sedimentación y productividad biológica. Los estudios paleoceanográficos que utilizan modelos ambientales y diferentes indicadores permiten a la comunidad científica evaluar el papel de los procesos oceánicos en el clima global mediante la reconstrucción del clima pasado en varios intervalos. La investigación paleoceanográfica también está íntimamente ligada a la paleoclimatología.
Las primeras organizaciones internacionales de oceanografía se fundaron a principios del siglo XX, comenzando con el Consejo Internacional para la Exploración del Mar creado en 1902, seguido en 1919 por la Comisión de Ciencias Mediterráneas . Ya existían institutos de investigación marina, comenzando con la Stazione Zoologica Anton Dohrn en Nápoles, Italia (1872), la Estación Biológica de Roscoff, Francia (1876), el Laboratorio Arago en Banyuls-sur-mer, Francia (1882), el Laboratorio de la Asociación de Biología Marina en Plymouth, Reino Unido (1884), el Instituto Noruego de Investigación Marina en Bergen, Noruega (1900), el Laboratory für internationale Meeresforschung, Kiel, Alemania (1902). Al otro lado del Atlántico, en 1903 se fundó la Scripps Institution of Oceanography , a la que siguieron la Woods Hole Oceanographic Institution en 1930, el Virginia Institute of Marine Science en 1938, el Lamont–Doherty Earth Observatory de la Universidad de Columbia en 1949 y, más tarde, la School of Oceanography de la Universidad de Washington . En Australia , el Australian Institute of Marine Science (AIMS), creado en 1972, pronto se convirtió en un actor clave en la investigación marina tropical.
En 1921 se creó la Oficina Hidrográfica Internacional , denominada desde 1970 Organización Hidrográfica Internacional , para elaborar normas de cartografía hidrográfica y náutica.
