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 de la hipsometría o topografía . La primera evidencia registrada de mediciones de la profundidad del agua es del Antiguo Egipto hace más de 3000 años. [3]
Las cartas batimétricas (que no deben confundirse con las cartas hidrográficas ) se producen típicamente para respaldar la seguridad de la navegación de superficie o subsuperficie, y generalmente muestran el relieve del fondo marino o el terreno como líneas de contorno (llamadas contornos de profundidad o isobatas ) y profundidades seleccionadas ( sondeos ), y generalmente también brindan información de navegación de superficie . Los mapas batimétricos (un término más general donde la seguridad de la navegación no es una preocupación) también pueden usar un Modelo de Terreno Digital 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 lecho marino , imágenes del fondo marino e imágenes del fondo marino . Las mediciones batimétricas se realizan con varios 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 en estudio, los medios financieros, la precisión de medición deseada y variables adicionales. A pesar de la investigación moderna basada en computadora, el fondo marino del océano en muchos lugares 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 con las corrientes oceánicas y las moldean , y la forma en que la luz solar disminuye cuando estas formas de relieve 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 costeras hasta plataformas continentales y arrecifes de coral . Más allá, en el océano abierto, incluyen características submarinas y de aguas profundas , como elevaciones oceánicas y montes submarinos . La superficie sumergida tiene características montañosas, incluido un sistema de dorsales oceánicas que se extiende por todo el globo , 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, lo que da como resultado un volumen estimado de 1,332 × 109 kilómetros cúbicos . [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 solo en un punto singular a la vez y, por lo tanto, es ineficiente. También está sujeta a los movimientos del barco y a las corrientes que mueven la línea fuera de la línea real y, por lo tanto, no es precisa.
Los datos que se utilizan para hacer mapas batimétricos en la actualidad suelen proceder de una ecosonda ( sónar ) montada debajo o sobre el costado de un barco, que "envía" un haz de sonido hacia abajo, al 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 ecosonda 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 empezaron a utilizar sondas monohaz para realizar 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 entre 90 y 170 grados de ancho. La disposición compacta de haces individuales estrechos proporciona una resolución angular y una precisión muy altas. En general, una franja amplia, que depende de la profundidad, permite a un barco cartografiar más fondo marino en menos tiempo que una ecosonda monohaz al realizar menos pasadas. Los haces se actualizan muchas veces por segundo (normalmente entre 0,1 y 50 Hz , según la profundidad del agua), lo que permite una mayor velocidad del barco manteniendo 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 sobre el 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 global de navegación por satélite (GNSS)) posiciona los 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 "curvatura de 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 varios resultados diferentes, incluido un subconjunto de las mediciones originales que satisfacen algunas condiciones (por ejemplo, los sondeos más representativos probables, los más superficiales en una región, etc.) o modelos digitales del terreno (DTM) integrados (por ejemplo, una cuadrícula regular o irregular de puntos conectados en una superficie). Históricamente, la selección de mediciones era más común en aplicaciones hidrográficas , mientras que la construcción de DTM se utilizaba para estudios de ingeniería, geología, modelado de flujo, etc. Desde aproximadamente 2003-2005 , los DTM han ganado aceptación en la práctica hidrográfica.
Los satélites también se utilizan para medir la batimetría. Los radares satelitales cartografían la topografía de las profundidades marinas detectando las sutiles variaciones del nivel del mar provocadas por la atracción gravitatoria de las montañas, las cordilleras y otras masas submarinas. En promedio, el nivel del mar es más alto en las montañas y las cordilleras que en las llanuras y fosas abisales. [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 batimétricos costeros 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 suelen estar referenciados a los datums verticales de marea . [12] Para la batimetría de aguas profundas, este suele ser el nivel medio del mar (MSL), pero la mayoría de los datos utilizados para la cartografía náutica están referenciados 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 datums , según la localidad y el régimen de mareas.
Las ocupaciones o carreras relacionadas con la batimetría incluyen el estudio de los océanos y las rocas y minerales del fondo oceánico, y el estudio de los terremotos o volcanes submarinos. La toma y el 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 cartografiar 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, lo que proporciona un método más viable para visualizar el fondo del lecho marino. [13]
Los conjuntos de datos producidos por los sensores hiperespectrales (HS) tienden a oscilar entre 100 y 200 bandas espectrales de anchos de banda de aproximadamente 5 a 10 nm. La detección hiperespectral, o espectroscopia de imágenes, es una combinación de imágenes remotas continuas y espectroscopia que produce un único conjunto de datos. [13] Dos ejemplos de este tipo de detección son AVIRIS ( espectrómetro de imágenes visibles/infrarrojas aerotransportado ) y HYPERION.
La aplicación de los sensores HS en la toma de imágenes del fondo marino es la detección y el seguimiento de la clorofila, el fitoplancton, la salinidad, la calidad del agua, los materiales orgánicos disueltos y los sedimentos en suspensión. Sin embargo, esto no proporciona una gran interpretación visual de los entornos costeros. [13] [ Aclaración necesaria ]
El otro método de imágenes satelitales, las imágenes multiespectrales (MS), tiende a dividir el espectro EM en un pequeño número de bandas, a diferencia de sus sensores hiperespectrales asociados, que pueden capturar un número mucho mayor de bandas espectrales.
La detección MS se utiliza más en el mapeo del fondo marino debido a que tiene menos bandas espectrales y anchos de banda relativamente mayores. Los mayores anchos de banda permiten una cobertura espectral mayor, lo que es crucial para la detección visual de características marinas y la resolución espectral general de las imágenes adquiridas. [13] [ Aclaración necesaria ]
La batimetría láser aerotransportada de alta densidad (ALB) es un método moderno y altamente técnico para el mapeo del fondo marino. Desarrollada por primera vez en los años 1960 y 1970, [ cita requerida ] ALB es una "técnica de detección y medición de distancias por 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 activo y pasivo". Esto significa que la batimetría láser aerotransportada también utiliza luz fuera del espectro visible para detectar las curvas del paisaje submarino. [13]
Según la Administración Nacional Oceánica y Atmosférica , el lidar (Light Detection and Ranging) es "un método de teledetección 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, lo que proporciona una representación precisa de las características de la superficie. Un sistema lidar suele estar formado por un láser , un escáner y un receptor GPS . Los aviones y los helicópteros son las plataformas más utilizadas para adquirir datos lidar en áreas amplias. Una aplicación del lidar es el lidar batimétrico, que utiliza luz verde que penetra en el agua para medir también las elevaciones del fondo marino y del lecho de los ríos. [14]
El método ALB funciona generalmente en forma de un pulso de luz no visible emitido desde una aeronave que vuela a baja altura y un receptor que registra dos reflexiones del agua. La primera de ellas se origina en la superficie del agua y la segunda en el fondo marino. Este método se ha utilizado en varios estudios para cartografiar segmentos del fondo marino de varias zonas costeras. [15] [16] [17]
Existen varios sistemas de batimetría LIDAR que se encuentran disponibles comercialmente. Dos de estos sistemas son el Scanning Hydrographic Operational Airborne Lidar Survey (SHOALS) y el Laser Airborne Depth Sounder (LADS). SHOALS fue desarrollado inicialmente para ayudar al Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos (USACE) en la prospección batimétrica 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 ortoimagen 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 del edificio. Estas correcciones se realizan mediante el uso de una ecuación matemática, información sobre la calibración del sensor y la aplicación de modelos digitales de elevación. [19]
Se puede crear una ortoimagen mediante la combinación de varias fotografías del mismo objetivo. El objetivo se fotografía desde distintos ángulos para permitir la percepción de la verdadera elevación e inclinación del objeto. Esto proporciona al observador una percepción precisa del área del objetivo. [19]
Actualmente se están utilizando 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 de estas regiones. [20]
Las primeras mediciones de profundidad conocidas fueron realizadas alrededor del año 1800 a. C. por los egipcios, utilizando una pértiga. Más tarde, se utilizó una cuerda con peso, con profundidades marcadas a intervalos. Este proceso se conocía como sondeo. Ambos métodos tenían la limitación de que se trataba de profundidades puntuales, tomadas en un punto, y podían pasar por alto fácilmente variaciones significativas en las inmediaciones. La precisión también se veía afectada por el movimiento del agua: la corriente podía hacer que el peso se desviara de la vertical y tanto la profundidad como la posición se vieran afectadas. Este era un proceso laborioso y que requería mucho tiempo y se veía fuertemente afectado por las condiciones meteorológicas y del mar. [21]
En la década de 1870, se produjeron mejoras significativas con el viaje del HMS Challenger , cuando se utilizaron sistemas similares que utilizaban cables y un cabrestante para medir profundidades mucho mayores que las que se habían podido medir anteriormente, pero este siguió siendo un procedimiento que se realizaba una sola profundidad a la vez y que requería una velocidad muy baja para lograr precisión. [22] Se podían medir profundidades mayores utilizando cables lastrados desplegados y recuperados por 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 permitían un despliegue y una recuperación más rápidos, necesarios cuando las profundidades medidas eran de varios kilómetros. Los estudios de arrastre de cable se siguieron utilizando hasta la década de 1990 debido a su fiabilidad y precisión. Este procedimiento implicaba remolcar un cable con dos barcos, sostenidos por flotadores y lastrados para mantener una profundidad constante. El cable se enganchaba en obstáculos más superficiales que la profundidad del cable. Esto era muy útil para encontrar peligros para la navegación que podían pasarse por alto con los sondeos, pero se limitaba a profundidades relativamente poco profundas. [21]
Las ecosondas de haz único se utilizaron entre los años 1920 y 1930 para medir la distancia del fondo marino directamente debajo de un buque a intervalos relativamente cercanos a lo largo de la línea de desplazamiento. Al trazar líneas aproximadamente paralelas, se podían recopilar puntos de datos con una mejor resolución, pero este método aún dejaba huecos entre los puntos de datos, en particular entre las líneas. [21] El mapeo del fondo marino comenzó utilizando ondas sonoras , contorneadas en isobatas y primeros mapas batimétricos de la topografía de la plataforma. Estos proporcionaron la primera visión de la morfología del fondo marino, aunque se cometieron errores debido a la precisión posicional horizontal y las profundidades imprecisas. El sonar de barrido lateral se desarrolló entre los años 1950 y 1970 y podía utilizarse para crear una imagen del fondo, pero la tecnología carecía de la capacidad para la medición directa de la profundidad a lo largo del 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 produjo 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 en todo el ancho de la franja del sonar, con resoluciones más altas, y con datos precisos de posición y actitud para los transductores, hizo posible obtener múltiples sondeos de alta resolución a partir de una sola pasada. [21]
La Oficina Oceanográfica Naval de los Estados Unidos desarrolló una versión clasificada de la tecnología multihaz en la década de 1960. La NOAA obtuvo una versión comercial no clasificada a fines de la década de 1970 y estableció protocolos y estándares. Los datos adquiridos con el sonar multihaz han aumentado enormemente la comprensión del fondo marino. [21]
Los satélites estadounidenses Landsat de la década de 1970 y, posteriormente, los satélites europeos Sentinel han proporcionado nuevas formas de encontrar información batimétrica, que puede derivarse de imágenes satelitales. Estos métodos incluyen el uso de las diferentes profundidades a las que penetran en el agua las distintas frecuencias de luz. 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 dónde debería penetrar la luz en las condiciones conocidas. El Sistema de Altímetro Láser Topográfico Avanzado (ATLAS) del Satélite de Elevación de Hielo, Nubes y Tierra 2 (ICESat-2) de la NASA es un lidar de conteo de fotones que utiliza el tiempo de retorno de los pulsos de luz láser desde la superficie de la Tierra para calcular la altitud de la superficie. Las mediciones del ICESat-2 se pueden combinar con datos de sonares basados en barcos para llenar los 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 teledetección ha aplicado una variedad de métodos para visualizar la topografía del fondo. Los primeros métodos incluían mapas de sombreado y generalmente se basaban en la interpretación personal del cartógrafo de los datos limitados disponibles. Los métodos de mapeo acústico desarrollados a partir de imágenes de sonares militares produjeron una imagen más vívida del fondo marino. El desarrollo posterior de la tecnología basada en sonares ha permitido obtener más detalles y una mayor resolución, y las técnicas de penetración terrestre brindan 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 de alta resolución y las ortoimágenes son una herramienta poderosa para mapear aguas claras poco profundas en las plataformas continentales, y la batimetría láser aérea, que utiliza pulsos de luz reflejada, también es muy efectiva en esas condiciones, y los sensores satelitales hiperespectrales y multiespectrales pueden proporcionar un flujo casi constante de información ambiental bentónica. Las técnicas de teledetección se han utilizado 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 batimetría sumergida y las características fisiográficas de los fondos oceánicos y marinos. [25] Su propósito 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 ( topografía ) y son complementarios a los mapas batimétricos. Los mapas batimétricos muestran la profundidad mediante una serie de líneas y puntos a intervalos iguales, llamados contornos de profundidad o isóbatas (un tipo de línea de contorno ). Una forma cerrada con formas cada vez más pequeñas en su interior puede indicar una fosa oceánica o un monte submarino, o montaña submarina, dependiendo de si las profundidades aumentan o disminuyen a medida que se adentran. [26]
Los estudios y cartas batimétricas están asociados con la ciencia de la oceanografía , particularmente la geología marina y la ingeniería submarina u otros propósitos especializados.
