Los flotadores RAFOS [1] son dispositivos sumergibles que se utilizan para mapear las corrientes oceánicas muy por debajo de la superficie. Se mueven con estas corrientes profundas y escuchan los "pongs" acústicos emitidos en momentos designados desde múltiples fuentes de sonido amarradas. Al analizar el tiempo necesario para que cada pong llegue a un flotador , los investigadores pueden determinar su posición mediante triangulación . Los flotadores pueden detectar los pongs a distancias de cientos de kilómetros porque generalmente apuntan a un rango de profundidades conocido como canal SOFAR (Sound Fixing And Ranging), que actúa como guía de ondas para el sonido. El nombre "RAFOS" deriva de los primeros flotadores SOFAR, [2] que emitían sonidos que los receptores amarrados captaban, permitiendo el seguimiento submarino en tiempo real. Cuando se invirtieron los roles de transmisión y recepción, también se invirtió el nombre: RAFOS se escribe SOFAR al revés. Escuchar el sonido requiere mucha menos energía que transmitirlo, por lo que los flotadores RAFOS son más baratos y duraderos que sus predecesores, pero no proporcionan información en tiempo real: sino que la almacenan a bordo y, al completar su misión, dejan caer un peso. , sube a la superficie y transmite los datos a la costa por satélite.
El mundo submarino es todavía prácticamente desconocido. La principal razón es la dificultad para recopilar información in situ, experimentar e incluso llegar a determinados lugares. Sin embargo, el océano tiene una importancia crucial para los científicos, ya que cubre alrededor del 71% del planeta.
El conocimiento de las corrientes oceánicas es de crucial importancia. En aspectos científicos importantes, como el estudio del calentamiento global, se encuentra que las corrientes oceánicas afectan en gran medida el clima de la Tierra ya que son el principal mecanismo de transferencia de calor. Son la razón del flujo de calor entre regiones cálidas y frías y, en un sentido más amplio, impulsan casi todas las circulaciones conocidas. Estas corrientes también afectan a los desechos marinos , y viceversa. En un aspecto económico, una mejor comprensión puede ayudar a reducir los costos de envío, ya que las corrientes ayudarían a los barcos a reducir los costos de combustible. En la era de los veleros, el conocimiento era aún más esencial. Incluso hoy en día, los competidores de navegación alrededor del mundo aprovechan las corrientes superficiales para su beneficio. Las corrientes oceánicas también son muy importantes en la dispersión de muchas formas de vida. Un ejemplo es el ciclo de vida de la anguila europea.
El canal SOFAR (abreviatura de Sound Fixing and Ranging Channel), o canal de sonido profundo (DSC), es una capa horizontal de agua en el océano en cuya profundidad la velocidad del sonido es mínima, en promedio alrededor de 1200 m de profundidad. [2] Actúa como una guía de ondas para el sonido, y las ondas sonoras de baja frecuencia dentro del canal pueden viajar miles de kilómetros antes de disiparse.
El canal SOFAR se centra en la profundidad donde el efecto acumulativo de la temperatura y la presión del agua (y, en menor medida, la salinidad) se combinan para crear la región de velocidad mínima del sonido en la columna de agua. Cerca de la superficie, la temperatura que cae rápidamente provoca una disminución en la velocidad del sonido o un gradiente negativo de velocidad del sonido. Al aumentar la profundidad, el aumento de la presión provoca un aumento en la velocidad del sonido o un gradiente positivo de velocidad del sonido.
La profundidad donde la velocidad del sonido es mínima es el eje del canal de sonido. Esta es una característica que se puede encontrar en las guías ópticas. Si una onda de sonido se propaga fuera de este canal horizontal, la parte de la onda más alejada del eje del canal viaja más rápido, por lo que la onda regresa hacia el eje del canal. Como resultado, las ondas sonoras trazan una trayectoria que oscila a lo largo del eje del canal SOFAR. Este principio es similar a la transmisión de luz a larga distancia en una fibra óptica. En este canal, un sonido tiene un alcance de más de 2000 km.
Para utilizar un flotador RAFOS, hay que sumergirlo en el lugar especificado, para que sea arrastrado por la corriente. Luego, cada cierto tiempo (normalmente cada 6 u 8 horas) se envía una señal sonora de 80 segundos [1] desde los emisores amarrados. Aprovechando el hecho de que una señal transmitida en el océano conserva su estructura (o patrón) de fase durante varios minutos, se ha pensado utilizar señales en las que la frecuencia aumenta linealmente de 1.523 Hz de principio a fin centrada alrededor de 250 Hz. [3] Luego, los receptores escucharían estructuras de fase específicas, comparando los datos entrantes con una señal de referencia de 80 segundos. Esto permite eliminar cualquier ruido que aparezca durante el recorrido de la ola por partículas flotantes o peces.
El esquema de detección se puede simplificar manteniendo solo la información de la señal positiva o negativa, permitiendo trabajar con un solo bit de información nueva en cada paso de tiempo. Este método funciona muy bien y permite el uso de pequeños microprocesadores, lo que permite que el propio flotador escuche y calcule, y una fuente de sonido amarrada. A partir del momento de llegada de las señales de dos o más fuentes de sonido y la ubicación anterior del flotador, su ubicación actual se puede determinar fácilmente con una precisión considerable (<1 km). Por ejemplo, el flotador escuchará tres fuentes y almacenará la hora de llegada de las dos señales más grandes escuchadas de cada fuente. La ubicación del flotador se calculará en tierra.
Los flotadores constan de un tubo de vidrio de 8 cm por 1,5 a 2,2 m de largo que contiene un hidrófono, circuitos de procesamiento de señales, un microprocesador, un reloj y una batería. Un flotador pesa unos 10 kg. El extremo inferior está sellado con una placa terminal plana de aluminio donde se ubican todos los penetradores eléctricos y mecánicos. El espesor del vidrio es de unos 5 mm, lo que da al flotador una profundidad máxima teórica de unos 2700 m. El lastre externo está suspendido de un trozo corto de alambre elegido por su resistencia a la corrosión del agua salada. Al disolverlo electrolíticamente se libera el lastre de 1 kg y el flotador regresa a la superficie. [1]
La electrónica se puede dividir en cuatro categorías: [1] un transmisor satelital utilizado después de salir a la superficie, el conjunto de sensores, un reloj de referencia de tiempo y un microprocesador. El reloj es fundamental para localizar el flotador, ya que se utiliza como referencia para calcular el viaje en el tiempo de las señales sonoras de los emisores amarrados. También es útil que el flotador funcione según lo previsto. El microprocesador controla todos los subsistemas excepto el reloj y almacena los datos recopilados en un horario regular. El transmisor de satélite se utiliza para enviar paquetes de datos a los satélites en órbita después de salir a la superficie. Por lo general, el satélite tarda tres días en recopilar todo el conjunto de datos.
Un flotador isobárico tiene como objetivo seguir un plano de presión constante, ajustando el peso del lastre para lograr flotabilidad hasta una determinada profundidad. Es el modelo más fácil de lograr. [1] Para lograr un flotador isobárico, su compresibilidad debe ser mucho menor que la del agua de mar. En ese caso, si el flotador se moviera hacia arriba desde el equilibrio, se expandiría menos que el agua de mar circundante, lo que provocaría una fuerza restauradora que lo empujaría hacia abajo, de regreso a su posición de equilibrio. Una vez equilibrado correctamente, el flotador permanecerá en un campo de presión constante.
El objetivo de un flotador isopicnal es seguir los planos de densidad, es decir, lograr una flotabilidad neutra para una densidad constante. Para lograr esto, es necesario eliminar las fuerzas de restauración inducidas por la presión, por lo que el flotador debe tener la misma compresibilidad que el agua de mar circundante. Esto a menudo se logra mediante un elemento comprimible, como un pistón en un cilindro, de modo que la CPU pueda cambiar el volumen según los cambios de presión. Un error de aproximadamente el 10% en el ajuste puede provocar una diferencia de profundidad de 50 m una vez en el agua. Por este motivo los flotadores se lastran en tanques que trabajan a alta presión. [2] [4]
Una vez finalizada la misión del flotador y los datos recopilados por los satélites, un paso importante es calcular la ruta del flotador a lo largo del tiempo. Esto se hace observando el tiempo de viaje de las señales desde los altavoces amarrados hasta el flotador, calculado a partir del tiempo de emisión (conocido con precisión) y el tiempo de recepción (conocido por el reloj del flotador y corregido si el reloj se había movido). Luego, debido a que se conoce la velocidad del sonido en un 0,3% en el mar, la posición del flotador se puede determinar hasta aproximadamente 1 km mediante un procedimiento de seguimiento circular iterativo. [5] También se puede tener en cuenta el efecto Doppler. Dado que no se conoce la velocidad del flotador, se determina una primera velocidad de cierre midiendo el cambio en el tiempo de llegada entre dos transmisiones, donde se considera que el flotador no se ha movido. [1]
El proyecto Argo [6] es una colaboración internacional entre 50 agencias operativas y de investigación de 26 países que tiene como objetivo medir una gama global de temperatura, salinidad y presión de los 2000 m superiores del océano. Utiliza más de 3.000 flotadores, algunos de los cuales utilizan RAFOS para la geolocalización submarina; la mayoría simplemente utiliza el Sistema de Posicionamiento Global (GPS) para obtener una posición al salir a la superficie cada 10 días. Este proyecto ha contribuido enormemente a la comunidad científica y ha publicado muchos datos que desde entonces se han utilizado para la cartografía de parámetros oceánicos y el análisis del cambio global.
Se han logrado muchos resultados gracias a estos flotadores, en la cartografía global de las características del océano o, por ejemplo, en cómo los flotadores bajan sistemáticamente (ascendentes) a medida que se acercan a los meandros anticiclónicos y se profundizan (descendentes) a medida que se acercan a los meandros ciclónicos. [7] A la izquierda hay un conjunto típico de datos de un flotador RAFOS. Hoy en día, estos flotadores siguen siendo la mejor manera de explorar sistemáticamente el interior del océano, ya que son automáticos y autosuficientes. En desarrollos recientes, los flotadores han podido medir diferentes cantidades de gases disueltos e incluso realizar pequeños experimentos in situ.