Batimetría ( / b ə ˈ θ ɪ m ə t r i / ; del griego antiguo βαθύς ( bathús ) 'profundo' y μέτρον ( métron ) 'medida') [1] [2] es el estudio de la profundidad submarina de los fondos oceánicos ( topografía del fondo marino ), fondos de lagos o fondos de ríos. En otras palabras, la batimetría es el equivalente submarino a la hipsometría o topografía . La primera evidencia registrada de mediciones de la profundidad del agua proviene del Antiguo Egipto hace más de 3000 años. [3] Las cartas batimétricas (que no deben confundirse con las cartas hidrográficas ), generalmente se producen para respaldar la seguridad de la navegación en la superficie o bajo la superficie, y generalmente muestran el relieve del fondo marino o el terreno como líneas de contorno (llamadas curvas de nivel de profundidad o isóbatas ) y profundidades seleccionadas ( sondeos ), y normalmente también proporcionan información de navegación en la superficie . Los mapas batimétricos (un término más general donde la seguridad de la navegación no es una preocupación) también pueden utilizar un modelo digital del terreno y técnicas de iluminación artificial para ilustrar las profundidades que se representan. La batimetría global a veces se combina con datos topográficos para producir un modelo de relieve global . La paleobatimetría es el estudio de las profundidades submarinas pasadas.
Los sinónimos incluyen mapeo del fondo marino , mapeo del fondo marino , imágenes del fondo marino e imágenes del fondo marino . Las mediciones batimétricas se realizan con diversos métodos, desde sondeos de profundidad , técnicas de sonar y Lidar , hasta boyas y altimetría satelital . Varios métodos tienen ventajas y desventajas y el método específico utilizado depende de la escala del área bajo estudio, los medios financieros, la precisión de medición deseada y variables adicionales. A pesar de las modernas investigaciones informáticas, en muchos lugares el fondo marino del océano está menos medido que la topografía de Marte . [4]
La topografía del fondo marino (topografía oceánica o topografía marina) se refiere a la forma de la tierra ( topografía ) cuando interactúa con el océano. Estas formas son obvias a lo largo de las costas, pero también ocurren de manera significativa bajo el agua. La efectividad de los hábitats marinos está parcialmente definida por estas formas, incluida la forma en que interactúan y dan forma a las corrientes oceánicas , y la forma en que la luz solar disminuye cuando estas formas terrestres ocupan profundidades cada vez mayores. Las redes de mareas dependen del equilibrio entre los procesos sedimentarios y la hidrodinámica; sin embargo, las influencias antropogénicas pueden afectar el sistema natural más que cualquier impulsor físico. [5]
Las topografías marinas incluyen accidentes geográficos costeros y oceánicos que van desde estuarios y costas hasta plataformas continentales y arrecifes de coral . Más lejos, en mar abierto, incluyen elementos submarinos y de aguas profundas , como elevaciones oceánicas y montes submarinos . La superficie sumergida tiene características montañosas, incluido un sistema de dorsales en medio del océano que se extiende por todo el mundo , así como volcanes submarinos , [6] fosas oceánicas , cañones submarinos , mesetas oceánicas y llanuras abisales .
La masa de los océanos es aproximadamente 1,35 × 1018 toneladas métricas , o aproximadamente 1/4400 de la masa total de la Tierra. Los océanos cubren un área de 3.618 × 108 km 2 con una profundidad media de 3.682 m, resultando un volumen estimado de 1.332 × 109 kilómetros 3 . [7]
Originalmente, la batimetría implicaba la medición de la profundidad del océano mediante sondeos de profundidad . Las primeras técnicas utilizaban cuerdas o cables pesados previamente medidos que se bajaban por el costado de un barco. [8] Esta técnica mide la profundidad sólo de un punto singular a la vez y, por lo tanto, es ineficiente. También está sujeto a los movimientos del barco y las corrientes que mueven la línea fuera de lo real y, por lo tanto, no es exacta.
Los datos utilizados hoy en día para hacer mapas batimétricos generalmente provienen de una ecosonda ( sonar ) montada debajo o sobre el costado de un barco, que hace "ping" un haz de sonido hacia abajo en el fondo marino o de sistemas de detección remota LIDAR o LADAR. [9] La cantidad de tiempo que tarda el sonido o la luz en viajar a través del agua, rebotar en el fondo marino y regresar a la sonda informa al equipo de la distancia hasta el fondo marino. Los estudios LIDAR/LADAR generalmente se realizan mediante sistemas aéreos.
A principios de la década de 1930, se utilizaron sondas de un solo haz para elaborar mapas batimétricos. Hoy en día, se suelen utilizar ecosondas multihaz (MBES), que utilizan cientos de haces adyacentes muy estrechos (normalmente 256) dispuestos en una franja en forma de abanico de normalmente 90 a 170 grados de ancho. El conjunto compacto de haces individuales estrechos proporciona una resolución y precisión angular muy altas. En general, una franja amplia, que depende de la profundidad, permite a un barco mapear más fondo marino en menos tiempo que una ecosonda de un solo haz al realizar menos pasadas. Los haces se actualizan muchas veces por segundo (normalmente entre 0,1 y 50 Hz, dependiendo de la profundidad del agua), lo que permite una velocidad más rápida de la embarcación y al mismo tiempo mantiene una cobertura del 100 % del fondo marino. Los sensores de actitud permiten corregir el balanceo y el cabeceo del barco en la superficie del océano, y un girocompás proporciona información precisa del rumbo para corregir la guiñada del barco . (La mayoría de los sistemas MBES modernos utilizan un sensor de movimiento integrado y un sistema de posición que mide la guiñada, así como otras dinámicas y posiciones). Un sistema de posicionamiento global (GPS) montado en una embarcación (u otro sistema de navegación global por satélite (GNSS)) posiciona el sondeos con respecto a la superficie de la tierra. Los perfiles de velocidad del sonido (velocidad del sonido en el agua en función de la profundidad) de la columna de agua corrigen la refracción o "flexión de los rayos" de las ondas sonoras debido a características no uniformes de la columna de agua, como la temperatura, la conductividad y la presión. Un sistema informático procesa todos los datos, corrigiendo todos los factores anteriores, así como el ángulo de cada haz individual. Las mediciones de sondeo resultantes se procesan luego de forma manual, semiautomática o automática (en circunstancias limitadas) para producir un mapa del área. A partir de 2010, [actualizar]se generan una serie de resultados diferentes, incluido un subconjunto de las mediciones originales que satisfacen algunas condiciones (por ejemplo, sondeos probables más representativos, los menos profundos de una región, etc.) o modelos digitales del terreno (DTM) integrados (por ejemplo, , una cuadrícula regular o irregular de puntos conectados a una superficie). Históricamente, la selección de mediciones era más común en aplicaciones hidrográficas , mientras que la construcción DTM se usaba para estudios de ingeniería, geología, modelado de flujo, etc. Desde c. 2003 –2005, los MDT se han vuelto más aceptados en la práctica hidrográfica.
Los satélites también se utilizan para medir la batimetría. El radar satelital mapea la topografía de las profundidades marinas detectando las sutiles variaciones en el nivel del mar causadas por la atracción gravitacional de montañas, crestas y otras masas submarinas. En promedio, el nivel del mar es más alto en montañas y crestas que en llanuras abisales y fosas. [10]
En los Estados Unidos, el Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos realiza o encarga la mayoría de los estudios de las vías navegables interiores, mientras que la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica (NOAA) desempeña la misma función para las vías navegables oceánicas. Los datos de batimetría costera están disponibles en el Centro Nacional de Datos Geofísicos (NGDC) de la NOAA , [11] que ahora está fusionado con los Centros Nacionales de Información Ambiental . Los datos batimétricos generalmente se refieren a datos verticales de marea . [12] Para la batimetría de aguas profundas, esto suele ser el nivel medio del mar (MSL), pero la mayoría de los datos utilizados para las cartas náuticas se hacen referencia a la bajamar media inferior (MLLW) en los estudios estadounidenses y a la marea astronómica más baja (LAT) en otros países. . En la práctica se utilizan muchos otros datos de referencia , dependiendo de la localidad y el régimen de mareas.
Las ocupaciones o carreras relacionadas con la batimetría incluyen el estudio de los océanos, las rocas y los minerales del fondo del océano, y el estudio de los terremotos o volcanes submarinos. La toma y análisis de mediciones batimétricas es una de las áreas centrales de la hidrografía moderna , y un componente fundamental para garantizar el transporte seguro de mercancías en todo el mundo. [8]
Otra forma de mapear el fondo marino es mediante el uso de satélites. Los satélites están equipados con sensores hiperespectrales y multiespectrales que se utilizan para proporcionar flujos constantes de imágenes de las zonas costeras, proporcionando un método más viable para visualizar el fondo del mar. [13]
Los conjuntos de datos producidos por sensores hiperespectrales (HS) tienden a oscilar entre 100 y 200 bandas espectrales de aproximadamente 5 a 10 nm de ancho de banda. La detección hiperespectral, o espectroscopia de imágenes, es una combinación de imágenes remotas continuas y espectroscopia que producen un único conjunto de datos. [13] Dos ejemplos de este tipo de detección son AVIRIS ( espectrómetro de imágenes visibles/infrarrojas en el aire ) e HYPERION.
La aplicación de los sensores HS con respecto a la obtención de imágenes del fondo marino es la detección y el monitoreo de clorofila, fitoplancton, salinidad, calidad del agua, materiales orgánicos disueltos y sedimentos suspendidos. Sin embargo, esto no proporciona una gran interpretación visual de los entornos costeros. [13] [ se necesita aclaración ]
El otro método de imágenes satelitales, las imágenes multiespectrales (MS), tiende a dividir el espectro EM en una pequeña cantidad de bandas, a diferencia de sus sensores hiperespectrales asociados, que pueden capturar una cantidad mucho mayor de bandas espectrales.
La detección MS se utiliza más en el mapeo del fondo marino debido a que tiene menos bandas espectrales con anchos de banda relativamente mayores. Los anchos de banda más grandes permiten una mayor cobertura espectral, lo cual es crucial en la detección visual de características marinas y la resolución espectral general de las imágenes adquiridas. [13] [ se necesita aclaración ]
La batimetría láser aérea de alta densidad (ALB) es un enfoque moderno y altamente técnico para mapear el fondo marino. Desarrollado por primera vez en las décadas de 1960 y 1970, [ cita necesaria ] ALB es una "técnica de detección y alcance de luz (LiDAR) que utiliza luz visible, ultravioleta e infrarroja cercana para detectar ópticamente de forma remota un objetivo de contorno a través de un sistema tanto activo como pasivo". Lo que esto significa es que la batimetría láser aérea también utiliza luz fuera del espectro visible para detectar las curvas en el paisaje submarino. [13]
LiDAR (Light Detección y Rango) es, según la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica , "un método de detección remota que utiliza luz en forma de láser pulsado para medir distancias". [14] Estos pulsos de luz, junto con otros datos, generan una representación tridimensional de lo que reflejan los pulsos de luz, brindando una representación precisa de las características de la superficie. Un sistema LiDAR normalmente consta de un láser , un escáner y un receptor GPS . Los aviones y helicópteros son las plataformas más utilizadas para adquirir datos LIDAR en áreas amplias. Una aplicación de LiDAR es el LiDAR batimétrico, que utiliza luz verde que penetra el agua para medir también las elevaciones del fondo marino y del lecho de los ríos. [14]
ALB generalmente funciona en forma de un pulso de luz no visible emitido desde un avión que vuela a baja altura y un receptor que registra dos reflejos del agua. El primero de los cuales se origina en la superficie del agua y el segundo en el fondo marino. Este método se ha utilizado en varios estudios para mapear segmentos del fondo marino de varias zonas costeras. [15] [16] [17]
Existen varios sistemas de batimetría LIDAR que son accesibles comercialmente. Dos de estos sistemas son el estudio lidar aéreo operacional hidrográfico de escaneo (SHOALS) y la sonda láser de profundidad aerotransportada (LADS). SHOALS fue desarrollado por primera vez para ayudar al Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos (USACE) en levantamientos batimétricos por una empresa llamada Optech en la década de 1990. SHOALS se realiza mediante la transmisión de un láser, de longitud de onda entre 530 y 532 nm, desde una altura de aproximadamente 200 m a una velocidad de 60 m/s en promedio. [18]
La ortoimágenes de alta resolución (HRO) es el proceso de creación de una imagen que combina las cualidades geométricas con las características de las fotografías. El resultado de este proceso es una ortoimagen , una imagen a escala que incluye correcciones realizadas para el desplazamiento de características como la inclinación de un edificio. Estas correcciones se realizan mediante el uso de una ecuación matemática, información sobre la calibración del sensor y la aplicación de modelos de elevación digitales. [19]
Se puede crear una ortoimagen mediante la combinación de varias fotografías del mismo objetivo. El objetivo se fotografía desde varios ángulos diferentes para permitir la percepción de la verdadera elevación e inclinación del objeto. Esto le da al espectador una percepción precisa del área objetivo. [19]
Actualmente se utilizan ortoimágenes de alta resolución en el "programa de cartografía terrestre", cuyo objetivo es "producir datos topográficos de alta resolución desde Oregón hasta México". Las ortoimágenes se utilizarán para proporcionar datos fotográficos para estas regiones. [20]
Las primeras mediciones de profundidad conocidas fueron realizadas alrededor del año 1800 a. C. por los egipcios sondeando con un palo. Posteriormente se utilizó una línea ponderada, con profundidades marcadas a intervalos. Este proceso se conoció como sondeo. Ambos métodos estaban limitados por ser puntos de profundidad, tomados en un punto, y fácilmente podían pasar por alto variaciones significativas en las inmediaciones. La precisión también se vio afectada por el movimiento del agua: la corriente podría hacer oscilar el peso desde la vertical y tanto la profundidad como la posición se verían afectadas. Este fue un proceso laborioso y que requirió mucho tiempo y se vio fuertemente afectado por las condiciones climáticas y del mar. [21]
Hubo mejoras significativas con el viaje del HMS Challenger en la década de 1870, cuando se utilizaron sistemas similares que usaban cables y un cabrestante para medir profundidades mucho mayores de lo que antes era posible, pero esto siguió siendo un procedimiento de una profundidad a la vez que requería una velocidad muy baja para lograr precisión. . [22] Se podrían medir profundidades mayores utilizando cables pesados desplegados y recuperados mediante cabrestantes eléctricos. Los cables tenían menos resistencia y se veían menos afectados por la corriente, no se estiraban tanto y eran lo suficientemente fuertes como para soportar su propio peso a profundidades considerables. Los cabrestantes permitieron un despliegue y recuperación más rápidos, necesarios cuando las profundidades medidas eran de varios kilómetros. Los estudios de arrastre de cables continuaron utilizándose hasta la década de 1990 debido a su confiabilidad y precisión. Este procedimiento implicaba remolcar un cable mediante dos embarcaciones, sostenidas por flotadores y ponderadas para mantener una profundidad constante. El cable se engancharía en obstáculos de menor profundidad que la profundidad del cable. Esto fue muy útil para encontrar peligros para la navegación que los sondeos podrían pasar por alto, pero se limitó a profundidades relativamente poco profundas. [21]
Las ecosondas de un solo haz se utilizaron entre las décadas de 1920 y 1930 para medir la distancia del fondo marino directamente debajo de un barco a intervalos relativamente cercanos a lo largo de la línea de viaje. Al ejecutar líneas aproximadamente paralelas, los puntos de datos podrían recopilarse con mejor resolución, pero este método aún dejaba espacios entre los puntos de datos, particularmente entre las líneas. [21] El mapeo del fondo marino comenzó usando ondas sonoras , contorneadas en isóbatas y cartas batimétricas tempranas de la topografía de la plataforma. Estos proporcionaron los primeros conocimientos sobre la morfología del fondo marino, aunque se cometieron errores debido a la precisión de la posición horizontal y las profundidades imprecisas. El sonar de barrido lateral se desarrolló entre los años 1950 y 1970 y podía usarse para crear una imagen del fondo, pero la tecnología carecía de la capacidad para medir la profundidad directamente a lo ancho del escaneo. En 1957, Marie Tharp , en colaboración con Bruce Charles Heezen , creó el primer mapa fisiográfico tridimensional de las cuencas oceánicas del mundo. El descubrimiento de Tharp se realizó en el momento perfecto. Fue uno de los muchos descubrimientos que tuvieron lugar casi al mismo tiempo que la invención de la computadora . Las computadoras, con su capacidad para calcular grandes cantidades de datos, han facilitado mucho la investigación, incluida la investigación de los océanos del mundo. El desarrollo de sistemas multihaz hizo posible obtener información de profundidad a lo ancho de la franja del sonar, a resoluciones más altas, y con datos precisos de posición y actitud para los transductores, hizo posible obtener múltiples sondeos de alta resolución con una sola pasada. [21]
La Oficina Oceanográfica Naval de Estados Unidos desarrolló una versión clasificada de la tecnología multihaz en los años 1960. La NOAA obtuvo una versión comercial no clasificada a finales de los años 1970 y estableció protocolos y estándares. Los datos adquiridos con sonar multihaz han aumentado enormemente la comprensión del fondo marino. [21]
Los satélites Landsat estadounidenses de la década de 1970 y, más tarde, los satélites europeos Sentinel, han proporcionado nuevas formas de encontrar información batimétrica, que puede derivarse de imágenes de satélite. Estos métodos incluyen hacer uso de las diferentes profundidades a las que las diferentes frecuencias de luz penetran en el agua. Cuando el agua es clara y el fondo marino es suficientemente reflectante, se puede estimar la profundidad midiendo la cantidad de reflectancia observada por un satélite y luego modelando hasta qué punto debería penetrar la luz en las condiciones conocidas. El Sistema Avanzado de Altímetro Láser Topográfico (ATLAS) en el Satélite 2 de Elevación de Hielo, Nubes y Tierra (ICESat-2) de la NASA es un lidar de conteo de fotones que utiliza el tiempo de retorno de los pulsos de luz láser de la superficie de la Tierra para calcular la altitud de la superficie. . Las mediciones de ICESat-2 se pueden combinar con datos de sonar de barcos para llenar vacíos y mejorar la precisión de los mapas de aguas poco profundas. [23]
El mapeo de la topografía del fondo marino de la plataforma continental utilizando datos de detección remota ha aplicado una variedad de métodos para visualizar la topografía del fondo. Los primeros métodos incluían mapas hachure y generalmente se basaban en la interpretación personal del cartógrafo de los limitados datos disponibles. Los métodos de mapeo acústico desarrollados a partir de imágenes de sonar militar produjeron una imagen más vívida del fondo marino. Un mayor desarrollo de la tecnología basada en sonar ha permitido obtener más detalles y una mayor resolución, y las técnicas de penetración del suelo proporcionan información sobre lo que se encuentra debajo de la superficie del fondo. La adquisición de datos aéreos y satelitales ha hecho posible nuevos avances en la visualización de superficies submarinas: la fotografía aérea y las ortoimágenes de alta resolución son una poderosa herramienta para cartografiar aguas claras y poco profundas en las plataformas continentales, y la batimetría láser aérea, que utiliza pulsos de luz reflejada, también es muy eficaz. En esas condiciones, los sensores satelitales hiperespectrales y multiespectrales pueden proporcionar un flujo casi constante de información ambiental bentónica. Se han utilizado técnicas de teledetección para desarrollar nuevas formas de visualizar entornos bentónicos dinámicos, desde características geomorfológicas generales hasta cobertura biológica. [24]
Una carta batimétrica es un tipo de mapa isarítmico que representa la topografía sumergida y las características fisiográficas de los fondos marinos y oceánicos. [25] Su objetivo principal es proporcionar contornos de profundidad detallados de la topografía del océano, así como proporcionar el tamaño, la forma y la distribución de las características submarinas. Los mapas topográficos muestran la elevación sobre el suelo y son complementarios de las cartas batimétricas. Los gráficos utilizan una serie de líneas y puntos a intervalos iguales para mostrar la profundidad o la elevación. Una forma cerrada con formas cada vez más pequeñas en su interior puede indicar una fosa oceánica o un monte submarino, o una montaña submarina, dependiendo de si las profundidades aumentan o disminuyen hacia adentro. [26]
