Las mareas son el ascenso y descenso del nivel del mar causados por los efectos combinados de las fuerzas gravitacionales ejercidas por la Luna (y en mucha menor medida, el Sol ) y también son causadas por la Tierra y la Luna orbitando una alrededor de la otra.
Las tablas de mareas se pueden utilizar para cualquier localidad dada para encontrar los tiempos y amplitudes predichos (o " rango de marea "). Las predicciones están influenciadas por muchos factores, incluyendo la alineación del Sol y la Luna, la fase y amplitud de la marea (patrón de mareas en el océano profundo), los sistemas anfidrómicos de los océanos y la forma de la costa y la batimetría cercana a la costa (ver Sincronización ). Sin embargo, son solo predicciones, el tiempo real y la altura de la marea se ven afectados por el viento y la presión atmosférica . Muchas costas experimentan mareas semidiurnas (dos mareas altas y bajas casi iguales cada día). Otras ubicaciones tienen una marea diurna (una marea alta y una baja cada día). Una "marea mixta" (dos mareas de magnitud desigual al día) es una tercera categoría regular. [1] [2] [a]
Las mareas varían en escalas de tiempo que van desde horas hasta años debido a una serie de factores, que determinan el intervalo lunitidal . Para realizar registros precisos, los mareógrafos en estaciones fijas miden el nivel del agua a lo largo del tiempo. Los mareógrafos ignoran las variaciones causadas por olas con períodos inferiores a minutos. Estos datos se comparan con el nivel de referencia (o datum) generalmente llamado nivel medio del mar . [3]
Si bien las mareas suelen ser la mayor fuente de fluctuaciones a corto plazo del nivel del mar, los niveles del mar también están sujetos a cambios debido a la expansión térmica , el viento y los cambios de presión barométrica, lo que resulta en marejadas ciclónicas , especialmente en mares poco profundos y cerca de las costas.
Los fenómenos de mareas no se limitan a los océanos, sino que pueden ocurrir en otros sistemas siempre que exista un campo gravitatorio que varíe en el tiempo y en el espacio. Por ejemplo, la forma de la parte sólida de la Tierra se ve ligeramente afectada por las mareas terrestres , aunque esto no se ve tan fácilmente como los movimientos de las mareas en el agua.
Las cuatro etapas del ciclo de las mareas se denominan:
Las corrientes oscilantes producidas por las mareas se conocen como corrientes de marea o corrientes de marea . El momento en que cesa la corriente de marea se denomina marea muerta o marea baja . Luego, la marea invierte su dirección y se dice que está cambiando de dirección. La marea muerta suele producirse cerca de pleamar y bajamar, pero hay lugares en los que los momentos de marea muerta difieren significativamente de los de pleamar y bajamar. [4]
Las mareas suelen ser semidiurnas (dos pleamares y dos bajamares cada día) o diurnas (un ciclo de mareas por día). Las dos pleamares de un día determinado no suelen tener la misma altura (la desigualdad diaria); estas son la pleamar más alta y la pleamar más baja en las tablas de mareas . De manera similar, las dos bajamares de cada día son la bajamar más alta y la bajamar más baja . La desigualdad diaria no es constante y generalmente es pequeña cuando la Luna está sobre el Ecuador . [b]
Se pueden definir los siguientes niveles de marea de referencia, desde el nivel más alto hasta el más bajo:
La amplitud semidiurna (la diferencia de altura entre las aguas altas y bajas durante aproximadamente medio día) varía en un ciclo de dos semanas. Aproximadamente dos veces al mes, alrededor de la luna nueva y la luna llena, cuando el Sol, la Luna y la Tierra forman una línea (una configuración conocida como sicigia [7] ), la fuerza de marea debida al Sol refuerza la debida a la Luna. La amplitud de la marea está entonces en su máximo; esto se llama marea viva . No recibe su nombre de la estación , pero, como esa palabra, deriva del significado de "saltar, estallar, elevarse", como en un manantial natural . Las mareas vivas a veces se denominan mareas sicigias . [8]
Cuando la Luna está en cuarto creciente o cuarto menguante, el Sol y la Luna están separados por 90° cuando se los ve desde la Tierra (en cuadratura ), y la fuerza de marea solar cancela parcialmente la fuerza de marea de la Luna. En estos puntos del ciclo lunar, la amplitud de la marea es mínima; esto se llama marea muerta o mareas muertas . "Marea muerta" es una palabra anglosajona que significa "sin fuerza", como en forðganges nip (que avanza sin fuerza). [9] Las mareas muertas a veces se denominan mareas en cuadratura . [8]
Las mareas vivas dan lugar a mareas altas más altas que el promedio, mareas bajas más bajas que el promedio, períodos de " mareas muertas " más cortos que el promedio y corrientes de marea más fuertes que el promedio. Las mareas muertas dan lugar a condiciones de marea menos extremas. Hay un intervalo de aproximadamente siete días entre mareas vivas y mareas muertas.
Los componentes de las mareas son el resultado neto de múltiples influencias que afectan los cambios de las mareas durante ciertos períodos de tiempo. Los componentes principales incluyen la rotación de la Tierra, la posición de la Luna y el Sol en relación con la Tierra, la altitud (elevación) de la Luna sobre el ecuador de la Tierra y la batimetría . Las variaciones con períodos inferiores a medio día se denominan componentes armónicos . Por el contrario, los ciclos de días, meses o años se denominan componentes de período largo .
Las fuerzas de marea afectan a toda la Tierra , pero el movimiento de la Tierra sólida se produce en tan solo unos centímetros. En cambio, la atmósfera es mucho más fluida y compresible, por lo que su superficie se mueve en kilómetros, en el sentido del nivel de contorno de una determinada baja presión en la atmósfera exterior.
En la mayoría de los lugares, el componente más grande es el semidiurno lunar principal , también conocido como componente de marea M2 o componente de marea M2 . Su período es de aproximadamente 12 horas y 25,2 minutos, exactamente la mitad de un día lunar de marea , que es el tiempo promedio que separa un cenit lunar del siguiente y, por lo tanto, es el tiempo que necesita la Tierra para girar una vez con respecto a la Luna. Los relojes de mareas simples rastrean este componente. El día lunar es más largo que el día terrestre porque la Luna orbita en la misma dirección en que gira la Tierra. Esto es análogo a la manecilla de minutos de un reloj que cruza la manecilla de las horas a las 12:00 y luego nuevamente a la 1:05 aproximadamente .+1 ⁄ 2 (no a la 1:00).
La Luna orbita la Tierra en la misma dirección en la que la Tierra gira sobre su eje, por lo que tarda un poco más de un día (unas 24 horas y 50 minutos) en volver a la misma posición en el cielo. Durante este tiempo, ha pasado por encima ( culminación ) una vez y por debajo de los pies una vez (en un ángulo horario de 00:00 y 12:00 respectivamente), por lo que en muchos lugares el período de mayor fuerza de marea es el mencionado anteriormente, unas 12 horas y 25 minutos. El momento de la marea más alta no es necesariamente cuando la Luna está más cerca del cenit o el nadir , pero el período de la fuerza aún determina el tiempo entre mareas altas.
Como el campo gravitatorio creado por la Luna se debilita con la distancia a la Luna, ejerce una fuerza ligeramente mayor que la media en el lado de la Tierra que mira hacia la Luna, y una fuerza ligeramente menor en el lado opuesto. La Luna tiende, por tanto, a "estirar" la Tierra ligeramente a lo largo de la línea que une los dos cuerpos. La Tierra sólida se deforma un poco, pero el agua del océano, al ser fluida, es libre de moverse mucho más en respuesta a la fuerza de marea, en particular en sentido horizontal (véase marea de equilibrio ).
A medida que la Tierra gira, la magnitud y la dirección de la fuerza de marea en cualquier punto particular de la superficie de la Tierra cambian constantemente; aunque el océano nunca alcanza el equilibrio (nunca hay tiempo para que el fluido "alcance" el estado que eventualmente alcanzaría si la fuerza de marea fuera constante), la fuerza de marea cambiante, no obstante, causa cambios rítmicos en la altura de la superficie del mar.
Cuando hay dos mareas altas cada día con diferentes alturas (y dos mareas bajas también de diferentes alturas), el patrón se denomina marea semidiurna mixta . [11]
La distancia cambiante que separa la Luna de la Tierra también afecta la altura de las mareas. Cuando la Luna está más cerca, en el perigeo , el rango aumenta, y cuando está en el apogeo , el rango se reduce. Seis u ocho veces al año, el perigeo coincide con una luna nueva o llena, lo que causa mareas vivas de perigeo con el mayor rango de marea . La diferencia entre la altura de una marea en la marea viva de perigeo y la marea viva cuando la Luna está en el apogeo depende de la ubicación, pero puede ser grande, hasta un pie más alta. [12]
Estos incluyen los efectos gravitacionales solares, la oblicuidad (inclinación) del ecuador de la Tierra y el eje de rotación, la inclinación del plano de la órbita lunar y la forma elíptica de la órbita de la Tierra alrededor del Sol.
Una marea compuesta (o marea alta) resulta de la interacción en aguas poco profundas de sus dos olas progenitoras. [13]
Debido a que el componente de marea M 2 domina en la mayoría de los lugares, la etapa o fase de una marea, denotada por el tiempo en horas después de la pleamar, es un concepto útil. La etapa de marea también se mide en grados, con 360° por ciclo de marea. Las líneas de fase de marea constante se denominan líneas cotidales , que son análogas a las líneas de contorno de altitud constante en los mapas topográficos , y cuando se trazan forman un mapa cotidal o carta cotidal . [16] La pleamar se alcanza simultáneamente a lo largo de las líneas cotidales que se extienden desde la costa hacia el océano, y las líneas cotidales (y, por lo tanto, las fases de marea) avanzan a lo largo de la costa. Los componentes de fase semidiurna y larga se miden a partir de la pleamar, los diurnos a partir de la marea máxima de inundación. Esto y la discusión que sigue son precisamente ciertos solo para un solo componente de marea.
En un océano con forma de cuenca circular encerrada por una línea costera, las líneas cotidales apuntan radialmente hacia adentro y deben encontrarse eventualmente en un punto común, el punto anfidrómico . El punto anfidrómico es a la vez cotidal con aguas altas y bajas, lo que se satisface con un movimiento de marea cero . (La rara excepción ocurre cuando la marea rodea una isla, como ocurre alrededor de Nueva Zelanda, Islandia y Madagascar ). El movimiento de marea generalmente disminuye alejándose de las costas continentales, de modo que al cruzar las líneas cotidales hay contornos de amplitud constante (la mitad de la distancia entre aguas altas y bajas) que disminuyen a cero en el punto anfidrómico. Para una marea semidiurna, el punto anfidrómico puede considerarse aproximadamente como el centro de la esfera de un reloj, con la manecilla de la hora apuntando en la dirección de la línea cotidal de aguas altas, que está directamente opuesta a la línea cotidal de aguas bajas. La pleamar rota alrededor del punto anfidrómico una vez cada 12 horas en la dirección de las líneas cotidales ascendentes y en dirección opuesta a las líneas cotidales descendentes. Esta rotación, causada por el efecto Coriolis , es generalmente en el sentido de las agujas del reloj en el hemisferio sur y en sentido contrario en el hemisferio norte. La diferencia entre la fase cotidal y la fase de una marea de referencia es la época . La marea de referencia es la "marea de equilibrio" constituyente hipotética en una Tierra sin tierra medida a 0° de longitud, el meridiano de Greenwich. [17]
En el Atlántico Norte, debido a que las líneas cotidales circulan en sentido contrario a las agujas del reloj alrededor del punto anfidrómico, la marea alta pasa por el puerto de Nueva York aproximadamente una hora antes que por el puerto de Norfolk. Al sur del cabo Hatteras, las fuerzas de marea son más complejas y no se pueden predecir de manera confiable en función de las líneas cotidales del Atlántico Norte.
La investigación sobre la física de las mareas fue importante en el desarrollo temprano de la mecánica celeste , ya que la existencia de dos mareas diarias se explicó mediante la gravedad de la Luna. Más tarde, las mareas diarias se explicaron con mayor precisión mediante la interacción de la gravedad de la Luna y el Sol.
Seleuco de Seleucia teorizó alrededor del año 150 a. C. que las mareas eran causadas por la Luna. La influencia de la Luna sobre los cuerpos de agua también fue mencionada en el Tetrabiblos de Ptolomeo . [c]
En De temporum ratione ( El cálculo del tiempo ) de 725, Beda relacionó las mareas semidurnales y el fenómeno de las variaciones de altura de las mareas con la Luna y sus fases. Beda comienza señalando que las mareas suben y bajan 4/5 de hora más tarde cada día, al igual que la Luna sale y se pone 4/5 de hora más tarde. [19] Continúa enfatizando que en dos meses lunares (59 días) la Luna gira alrededor de la Tierra 57 veces y hay 114 mareas. [20] Beda luego observa que la altura de las mareas varía a lo largo del mes. Las mareas crecientes se llaman malinae y las mareas decrecientes ledones y que el mes se divide en cuatro partes de siete u ocho días con malinae y ledones alternados . [21] En el mismo pasaje también señala el efecto de los vientos para contener las mareas. [21] Beda también registra que el tiempo de las mareas varía de un lugar a otro. Al norte de la ubicación de Bede ( Monkwearmouth ) las mareas son más tempranas, al sur más tardías. [22] Explica que la marea "abandona estas costas para poder inundar aún más otras [costas] cuando llega allí", señalando que "la Luna que señala el ascenso de la marea aquí, señala su retirada en otras regiones alejadas de este cuarto de los cielos". [22]
La comprensión medieval posterior de las mareas se basó principalmente en las obras de astrónomos musulmanes , que estuvieron disponibles a través de traducciones latinas a partir del siglo XII. [23] Abu Ma'shar al-Balkhi (fallecido alrededor de 886), en su Introductorium in astronomiam , enseñó que las mareas de reflujo y de inundación eran causadas por la Luna. [23] Abu Ma'shar discutió los efectos del viento y las fases de la Luna en relación con el Sol en las mareas. [23] En el siglo XII, al-Bitruji (fallecido alrededor de 1204) aportó la noción de que las mareas eran causadas por la circulación general de los cielos. [23]
Simon Stevin , en su obra De spiegheling der Ebbenvloet ( La teoría del reflujo y la inundación ) de 1608, descartó una gran cantidad de conceptos erróneos que aún existían sobre el reflujo y la inundación. Stevin abogó por la idea de que la atracción de la Luna era responsable de las mareas y habló en términos claros sobre el reflujo, la inundación, la marea viva y la marea muerta , enfatizando que era necesario realizar más investigaciones. [24] [25]
En 1609, Johannes Kepler también sugirió correctamente que la gravitación de la Luna causaba las mareas, [d] lo que basó en antiguas observaciones y correlaciones.
Galileo Galilei, en su Diálogo sobre los dos principales sistemas del mundo ( 1632) , cuyo título provisional era Diálogo sobre las mareas , dio una explicación de las mareas. Sin embargo, la teoría resultante era incorrecta, ya que atribuía las mareas al chapoteo del agua causado por el movimiento de la Tierra alrededor del Sol. Esperaba proporcionar una prueba mecánica del movimiento de la Tierra. El valor de su teoría de las mareas es discutido. Galileo rechazó la explicación de Kepler sobre las mareas.
Isaac Newton (1642-1727) fue la primera persona en explicar las mareas como el producto de la atracción gravitatoria de masas astronómicas. Su explicación de las mareas (y muchos otros fenómenos) fue publicada en los Principia (1687) [27] [28] y utilizó su teoría de la gravitación universal para explicar las atracciones lunar y solar como el origen de las fuerzas generadoras de mareas. [e] Newton y otros antes de Pierre-Simon Laplace trabajaron el problema desde la perspectiva de un sistema estático (teoría del equilibrio), que proporcionó una aproximación que describía las mareas que ocurrirían en un océano no inercial que cubriera uniformemente toda la Tierra. [27] La fuerza generadora de mareas (o su potencial correspondiente ) sigue siendo relevante para la teoría de mareas, pero como una cantidad intermedia (función de fuerza) en lugar de como un resultado final; la teoría también debe considerar la respuesta dinámica acumulada de marea de la Tierra a las fuerzas aplicadas, cuya respuesta está influenciada por la profundidad del océano, la rotación de la Tierra y otros factores. [29]
En 1740, la Academia Real de Ciencias de París ofreció un premio al mejor ensayo teórico sobre las mareas. Daniel Bernoulli , Leonhard Euler , Colin Maclaurin y Antoine Cavalleri compartieron el premio. [30]
Maclaurin utilizó la teoría de Newton para demostrar que una esfera lisa cubierta por un océano suficientemente profundo bajo la fuerza de marea de un solo cuerpo deformante es un esferoide alargado (esencialmente un óvalo tridimensional) con el eje mayor dirigido hacia el cuerpo deformante. Maclaurin fue el primero en escribir sobre los efectos de rotación de la Tierra en el movimiento. Euler se dio cuenta de que el componente horizontal de la fuerza de marea (más que el vertical) impulsa la marea. En 1744, Jean le Rond d'Alembert estudió ecuaciones de marea para la atmósfera que no incluían la rotación.
En 1770, el barco de James Cook , el HMS Endeavour, encalló en la Gran Barrera de Coral . Se intentó reflotarlo con la marea siguiente, pero no fue posible, pero la marea posterior lo sacó a flote con facilidad. Mientras lo reparaban en la desembocadura del río Endeavour, Cook observó las mareas durante un período de siete semanas. En las mareas muertas, las dos mareas de un día eran similares, pero en las mareas vivas las mareas subían 7 pies (2,1 m) por la mañana, pero 9 pies (2,7 m) por la tarde. [31]
Pierre-Simon Laplace formuló un sistema de ecuaciones diferenciales parciales que relacionaban el flujo horizontal del océano con su altura superficial, la primera teoría dinámica importante para las mareas de agua. Las ecuaciones de marea de Laplace todavía se utilizan en la actualidad. William Thomson, primer barón Kelvin , reescribió las ecuaciones de Laplace en términos de vorticidad , lo que permitió soluciones que describían olas atrapadas en la costa impulsadas por las mareas, conocidas como ondas de Kelvin . [32] [33] [34]
Otros, entre ellos Kelvin y Henri Poincaré , desarrollaron aún más la teoría de Laplace. Basándose en estos desarrollos y en la teoría lunar de EW Brown que describe los movimientos de la Luna, Arthur Thomas Doodson desarrolló y publicó en 1921 [35] el primer desarrollo moderno del potencial generador de mareas en forma armónica: Doodson distinguió 388 frecuencias de mareas. [36] Algunos de sus métodos siguen utilizándose. [37]
Desde la antigüedad, la observación y el debate sobre las mareas se han ido sofisticando, primero marcando la recurrencia diaria y luego la relación de las mareas con el Sol y la Luna. Piteas viajó a las Islas Británicas alrededor del año 325 a. C. y parece ser el primero en relacionar las mareas vivas con la fase de la luna.
En el siglo II a. C., el astrónomo helenístico Seleuco de Seleucia describió correctamente el fenómeno de las mareas para apoyar su teoría heliocéntrica . [38] Teorizó correctamente que las mareas eran causadas por la luna , aunque creía que la interacción estaba mediada por el pneuma . Observó que las mareas variaban en tiempo y fuerza en diferentes partes del mundo. Según Estrabón (1.1.9), Seleuco fue el primero en vincular las mareas con la atracción lunar, y que la altura de las mareas depende de la posición de la luna en relación con el sol. [39]
La Naturalis Historia de Plinio el Viejo recopila muchas observaciones sobre las mareas, por ejemplo, las mareas vivas se producen unos días después (o antes) de la luna nueva y la luna llena y alcanzan su punto máximo alrededor de los equinoccios, aunque Plinio observó muchas relaciones que ahora se consideran fantasiosas. En su Geografía , Estrabón describió que las mareas en el Golfo Pérsico tenían su mayor alcance cuando la luna estaba más alejada del plano del Ecuador. Todo esto a pesar de la amplitud relativamente pequeña de las mareas de la cuenca mediterránea . (Las fuertes corrientes a través del estrecho de Euripo y el estrecho de Mesina desconcertaron a Aristóteles ). Filóstrato analizó las mareas en el Libro Cinco de La vida de Apolonio de Tiana . Filóstrato menciona la luna, pero atribuye las mareas a los "espíritus". En Europa, alrededor del año 730 d. C., el Venerable Beda describió cómo la marea creciente en una costa de las Islas Británicas coincidía con la caída en la otra y describió la progresión temporal de las mareas altas a lo largo de la costa de Northumbria.
La primera tabla de mareas de China se registró en 1056 d. C., principalmente para los visitantes que deseaban ver la famosa marea alta en el río Qiantang . Se cree que la primera tabla de mareas británica conocida es la de John Wallingford, que murió como abad de St. Albans en 1213, basada en que las aguas altas se producían 48 minutos más tarde cada día y tres horas antes en la desembocadura del Támesis que río arriba en Londres . [40]
En 1614 Claude d'Abbeville publicó la obra " Histoire de la mission de pères capucins en l'Isle de Maragnan et terres circonvoisines ", donde expuso que el pueblo tupinambá ya tenía una comprensión de la relación entre la Luna y las mareas antes de Europa. [41]
William Thomson (Lord Kelvin) dirigió el primer análisis armónico sistemático de los registros de mareas a partir de 1867. El principal resultado fue la construcción de una máquina de predicción de mareas que utilizaba un sistema de poleas para sumar seis funciones armónicas de tiempo. Se "programaba" reiniciando engranajes y cadenas para ajustar la fase y las amplitudes. Se utilizaron máquinas similares hasta la década de 1960. [42]
El primer registro conocido del nivel del mar de un ciclo completo de mareas muertas y primaverales se realizó en 1831 en el Navy Dock del estuario del Támesis . En 1850, muchos puertos importantes contaban con estaciones de medición de mareas automáticas.
John Lubbock fue uno de los primeros en cartografiar las líneas co-mareales de Gran Bretaña, Irlanda y las costas adyacentes en 1840. [43] William Whewell amplió este trabajo y terminó con un mapa casi global en 1836. [44] Para que estos mapas fueran consistentes, planteó la hipótesis de la existencia de una región sin ascenso ni descenso de mareas donde las líneas co-mareales se encuentran en medio del océano. La existencia de dicho punto anfidrómico , como se los conoce ahora, fue confirmada en 1840 por el capitán William Hewett, RN , a partir de sondeos cuidadosos en el Mar del Norte . [45] [46] [32]
Mucho más tarde, a finales del siglo XX, los geólogos observaron ritmitas de marea , que documentan la aparición de mareas antiguas en el registro geológico, especialmente en el Carbonífero . [47] [48]
La fuerza de marea producida por un objeto masivo (Luna, en adelante) sobre una pequeña partícula ubicada sobre o en un cuerpo extenso (Tierra, en adelante) es la diferencia vectorial entre la fuerza gravitatoria ejercida por la Luna sobre la partícula, y la fuerza gravitatoria que se ejercería sobre la partícula si estuviera ubicada en el centro de masas de la Tierra.
Mientras que la fuerza gravitatoria ejercida por un cuerpo celeste sobre la Tierra varía inversamente al cuadrado de su distancia a la Tierra, la fuerza de marea máxima varía inversamente, aproximadamente, al cubo de esta distancia. [49] Si la fuerza de marea causada por cada cuerpo fuera, en cambio, igual a su fuerza gravitatoria total (lo que no es el caso debido a la caída libre de toda la Tierra, no solo de los océanos, hacia estos cuerpos), se observaría un patrón diferente de fuerzas de marea, por ejemplo, con una influencia mucho más fuerte del Sol que de la Luna: La fuerza gravitatoria solar sobre la Tierra es en promedio 179 veces más fuerte que la lunar, pero debido a que el Sol está en promedio 389 veces más lejos de la Tierra, su gradiente de campo es más débil. La proporcionalidad general es
donde M es la masa del cuerpo celeste, d es su distancia, ρ es su densidad media y r es su radio. La relación r / d está relacionada con el ángulo subtendido por el objeto en el cielo. Dado que el Sol y la Luna tienen prácticamente el mismo diámetro en el cielo, la fuerza de marea del Sol es menor que la de la Luna porque su densidad media es mucho menor, y es solo el 46% tan grande como la lunar, [f] por lo que durante una marea viva, la Luna contribuye con el 69% mientras que el Sol contribuye con el 31%. Más precisamente, la aceleración de marea lunar (a lo largo del eje Luna-Tierra, en la superficie de la Tierra) es de aproximadamente 1,1 × 10 −7 g , mientras que la aceleración de marea solar (a lo largo del eje Sol-Tierra, en la superficie de la Tierra) es de aproximadamente 0,52 × 10 −7 g , donde g es la aceleración gravitacional en la superficie de la Tierra. [g] Los efectos de los demás planetas varían según su distancia a la Tierra. Cuando Venus está más cerca de la Tierra, su efecto es 0,000113 veces el efecto solar. [50] En otros momentos, Júpiter o Marte pueden tener el mayor efecto.
La superficie del océano se aproxima a una superficie denominada geoide , que tiene en cuenta la fuerza gravitatoria ejercida por la Tierra, así como la fuerza centrífuga debida a la rotación. Ahora considere el efecto de cuerpos externos masivos como la Luna y el Sol. Estos cuerpos tienen fuertes campos gravitatorios que disminuyen con la distancia y hacen que la superficie del océano se desvíe del geoide. Establecen una nueva superficie oceánica de equilibrio que se abulta hacia la Luna en un lado y se aleja de ella en el otro lado. La rotación de la Tierra en relación con esta forma causa el ciclo diario de mareas. La superficie del océano tiende a esta forma de equilibrio, que cambia constantemente y nunca la alcanza del todo. Cuando la superficie del océano no está alineada con ella, es como si la superficie estuviera inclinada y el agua se acelerara en la dirección de la pendiente descendente.
La marea de equilibrio es la marea idealizada suponiendo que la Tierra no tiene tierra. [51] Produciría una protuberancia de marea en el océano, alargada hacia el cuerpo que la atrae (Luna o Sol). No es causada por la atracción vertical más cercana o más lejana del cuerpo, que es muy débil; más bien, es causada por la fuerza de marea tangencial o tractiva , que es más fuerte a unos 45 grados del cuerpo, lo que resulta en una corriente de marea horizontal. [h] [i] [j] [55]
Las profundidades oceánicas son mucho menores que su extensión horizontal. Por lo tanto, la respuesta a la fuerza de las mareas se puede modelar utilizando las ecuaciones de mareas de Laplace que incorporan las siguientes características:
Las condiciones límite exigen que no haya flujo a través de la costa y que haya deslizamiento libre en el fondo.
El efecto Coriolis (fuerza de inercia) dirige los flujos que se desplazan hacia el Ecuador hacia el oeste y los que se alejan del Ecuador hacia el este, lo que permite la formación de olas atrapadas en la costa. Por último, se puede añadir un término de disipación que es análogo a la viscosidad.
La amplitud teórica de las mareas oceánicas causadas por la Luna es de unos 54 centímetros (21 pulgadas) en el punto más alto, que corresponde a la amplitud que se alcanzaría si el océano tuviera una profundidad uniforme, no hubiera masas continentales y la Tierra girara al ritmo de la órbita de la Luna. El Sol causa mareas de manera similar, cuya amplitud teórica es de unos 25 centímetros (9,8 pulgadas) (46% de la de la Luna) con un ciclo de 12 horas. En la marea viva, los dos efectos se suman entre sí hasta un nivel teórico de 79 centímetros (31 pulgadas), mientras que en la marea muerta el nivel teórico se reduce a 29 centímetros (11 pulgadas). Dado que las órbitas de la Tierra alrededor del Sol y de la Luna alrededor de la Tierra son elípticas, las amplitudes de las mareas cambian un poco como resultado de las diferentes distancias Tierra-Sol y Tierra-Luna. Esto provoca una variación en la fuerza de marea y la amplitud teórica de aproximadamente ±18% para la Luna y ±5% para el Sol. Si tanto el Sol como la Luna estuvieran en sus posiciones más cercanas y alineados en la luna nueva, la amplitud teórica alcanzaría los 93 centímetros (37 pulgadas).
Las amplitudes reales difieren considerablemente, no sólo por las variaciones de profundidad y los obstáculos continentales, sino también porque la propagación de las olas a través del océano tiene un período natural del mismo orden de magnitud que el período de rotación: si no hubiera masas de tierra, una onda superficial de longitud de onda larga tardaría unas 30 horas en propagarse a lo largo del Ecuador hasta la mitad de la Tierra (en comparación, la litosfera de la Tierra tiene un período natural de unos 57 minutos). Las mareas terrestres , que elevan y bajan el fondo del océano, y la propia atracción gravitatoria de la marea son importantes y complican aún más la respuesta del océano a las fuerzas de marea.
Las oscilaciones de marea de la Tierra introducen disipación a una tasa promedio de aproximadamente 3,75 teravatios . [56] Aproximadamente el 98% de esta disipación se debe al movimiento de mareas marinas. [57] La disipación surge cuando los flujos de marea a escala de cuenca impulsan flujos de menor escala que experimentan una disipación turbulenta. Este arrastre de marea crea un par en la Luna que transfiere gradualmente el momento angular a su órbita y un aumento gradual en la separación Tierra-Luna. El par igual y opuesto en la Tierra disminuye correspondientemente su velocidad de rotación. Por lo tanto, a lo largo del tiempo geológico, la Luna se aleja de la Tierra, a unos 3,8 centímetros (1,5 pulgadas) / año, alargando el día terrestre. [k]
La duración del día ha aumentado unas 2 horas en los últimos 600 millones de años. Suponiendo (como aproximación aproximada) que la tasa de desaceleración ha sido constante, esto implicaría que hace 70 millones de años la duración del día era del orden de un 1% más corta y había unos 4 días más por año.
La forma de la costa y del fondo del océano modifica la forma en que se propagan las mareas, por lo que no existe una regla general simple que prediga el momento de la pleamar a partir de la posición de la Luna en el cielo. Las características costeras, como la batimetría submarina y la forma de la costa, implican que las características de cada ubicación individual afectan el pronóstico de las mareas; el momento y la altura reales de la pleamar pueden diferir de las predicciones del modelo debido a los efectos de la morfología costera en el flujo de marea. Sin embargo, para una ubicación determinada, la relación entre la altitud lunar y el momento de la pleamar o la bajamar (el intervalo lunitidal ) es relativamente constante y predecible, al igual que el momento de la pleamar o la bajamar en relación con otros puntos de la misma costa. Por ejemplo, la pleamar en Norfolk, Virginia , EE. UU., se produce de manera predecible aproximadamente dos horas y media antes de que la Luna pase directamente por encima.
Las masas de tierra y las cuencas oceánicas actúan como barreras contra el movimiento libre del agua por el globo, y sus diversas formas y tamaños afectan la magnitud de las frecuencias de las mareas. Como resultado, los patrones de mareas varían. Por ejemplo, en los EE. UU., la costa este tiene mareas predominantemente semidiurnas, al igual que las costas atlánticas de Europa, mientras que la costa oeste tiene mareas predominantemente mixtas. [59] [60] [61] Los cambios humanos en el paisaje también pueden alterar significativamente las mareas locales. [62]
Las fuerzas de marea debidas a la Luna y al Sol generan olas muy largas que viajan por todo el océano siguiendo las trayectorias que se muestran en los mapas de mareas. El momento en que la cresta de la ola llega a un puerto indica el momento en que la marea está alta en el puerto. El tiempo que tarda la ola en viajar alrededor del océano también significa que hay un retraso entre las fases de la Luna y su efecto sobre la marea. Las mareas vivas y muertas en el Mar del Norte , por ejemplo, tienen un retraso de dos días con respecto a la luna nueva/llena y al cuarto menguante/cuarto creciente. Esto se denomina edad de la marea . [63] [64]
La batimetría oceánica influye en gran medida en el tiempo exacto y la altura de la marea en un punto costero en particular . Hay algunos casos extremos; a menudo se dice que la bahía de Fundy , en la costa este de Canadá, tiene las mareas más altas del mundo debido a su forma, batimetría y su distancia del borde de la plataforma continental. [65] Las mediciones realizadas en noviembre de 1998 en Burntcoat Head en la bahía de Fundy registraron un alcance máximo de 16,3 metros (53 pies) y un extremo más alto previsto de 17 metros (56 pies). [66] [67] Mediciones similares realizadas en marzo de 2002 en Leaf Basin, bahía de Ungava en el norte de Quebec dieron valores similares (permitiendo errores de medición), un alcance máximo de 16,2 metros (53 pies) y un extremo más alto previsto de 16,8 metros (55 pies). [66] [67] La bahía de Ungava y la bahía de Fundy se encuentran a distancias similares del borde de la plataforma continental, pero la bahía de Ungava solo está libre de hielo durante unos cuatro meses al año, mientras que la bahía de Fundy rara vez se congela.
Southampton, en el Reino Unido, tiene una marea doblemente alta causada por la interacción entre los componentes de marea M 2 y M 4 (mareas bajas de mareas lunares principales). [68] Portland tiene mareas doblemente bajas por la misma razón. La marea M 4 se encuentra a lo largo de toda la costa sur del Reino Unido, pero su efecto es más notorio entre la Isla de Wight y Portland porque la marea M 2 es la más baja en esta región.
Debido a que los modos de oscilación del mar Mediterráneo y del mar Báltico no coinciden con ningún período de forzamiento astronómico significativo, las mareas más grandes se producen cerca de sus estrechas conexiones con el océano Atlántico. También se producen mareas extremadamente pequeñas por la misma razón en el golfo de México y el mar de Japón . En otros lugares, como a lo largo de la costa sur de Australia , las mareas bajas pueden deberse a la presencia de un anfidromo cercano .
La teoría de la gravitación de Isaac Newton permitió explicar por primera vez por qué había generalmente dos mareas al día, en lugar de una, y ofreció esperanzas para una comprensión detallada de las fuerzas y el comportamiento de las mareas. Aunque puede parecer que las mareas se pueden predecir mediante un conocimiento suficientemente detallado de las fuerzas astronómicas instantáneas, la marea real en un lugar determinado está determinada por las fuerzas astronómicas acumuladas por la masa de agua durante muchos días. Además, para obtener resultados precisos se requeriría un conocimiento detallado de la forma de todas las cuencas oceánicas, su batimetría y la forma de la costa.
El procedimiento actual para analizar las mareas sigue el método de análisis armónico introducido en la década de 1860 por William Thomson . Se basa en el principio de que las teorías astronómicas de los movimientos del Sol y la Luna determinan un gran número de frecuencias componentes, y en cada frecuencia hay un componente de fuerza que tiende a producir movimiento de marea, pero que en cada lugar de interés en la Tierra, las mareas responden en cada frecuencia con una amplitud y fase peculiares a esa localidad. En cada lugar de interés, por lo tanto, se miden las alturas de marea durante un período de tiempo lo suficientemente largo (generalmente más de un año en el caso de un nuevo puerto no estudiado previamente) para permitir que se distinga mediante análisis la respuesta en cada frecuencia significativa generadora de marea y para extraer las constantes de marea para un número suficiente de los componentes conocidos más fuertes de las fuerzas de marea astronómicas para permitir la predicción práctica de las mareas. Se espera que las alturas de marea sigan la fuerza de marea, con una amplitud y un retraso de fase constantes para cada componente. Como las frecuencias y fases astronómicas se pueden calcular con certeza, la altura de la marea en otros momentos se puede predecir una vez que se haya encontrado la respuesta a los componentes armónicos de las fuerzas astronómicas generadoras de mareas.
Los patrones principales en las mareas son
La marea astronómica más alta es la marea viva del perigeo, cuando tanto el Sol como la Luna están más cerca de la Tierra.
Cuando nos enfrentamos a una función que varía periódicamente, el enfoque estándar es emplear series de Fourier , una forma de análisis que utiliza funciones sinusoidales como un conjunto base , con frecuencias que son cero, una, dos, tres, etc. veces la frecuencia de un ciclo fundamental particular. Estos múltiplos se denominan armónicos de la frecuencia fundamental y el proceso se denomina análisis armónico . Si el conjunto base de funciones sinusoidales se adapta al comportamiento que se está modelando, se necesitan agregar relativamente pocos términos armónicos. Las trayectorias orbitales son casi circulares, por lo que las variaciones sinusoidales son adecuadas para las mareas.
Para el análisis de las alturas de las mareas, en la práctica, el método de las series de Fourier debe ser más elaborado que el uso de una sola frecuencia y sus armónicos. Los patrones de marea se descomponen en muchas sinusoides que tienen muchas frecuencias fundamentales, que corresponden (como en la teoría lunar ) a muchas combinaciones diferentes de los movimientos de la Tierra, la Luna y los ángulos que definen la forma y la ubicación de sus órbitas.
En el caso de las mareas, el análisis armónico no se limita a los armónicos de una única frecuencia. [l] En otras palabras, las armonías son múltiplos de muchas frecuencias fundamentales, no solo de la frecuencia fundamental del método más simple de la serie de Fourier. Su representación como una serie de Fourier que tiene solo una frecuencia fundamental y sus múltiplos (enteros) requeriría muchos términos y estaría severamente limitada en el rango de tiempo para el cual sería válida.
El estudio de la altura de la marea mediante análisis armónico fue iniciado por Laplace, William Thomson (Lord Kelvin) y George Darwin . AT Doodson amplió su trabajo, introduciendo la notación del número de Doodson para organizar los cientos de términos resultantes. Este enfoque ha sido el estándar internacional desde entonces, y las complicaciones surgen de la siguiente manera: la fuerza de elevación de la marea se da teóricamente mediante la suma de varios términos. Cada término tiene la forma
dónde
Hay un término para la Luna y un segundo término para el Sol. La fase p del primer armónico del término de la Luna se llama intervalo lunitidal o intervalo de pleamar.
El siguiente refinamiento consiste en acomodar los términos armónicos debidos a la forma elíptica de las órbitas. Para ello, se considera que el valor de la amplitud no es constante, sino que varía con el tiempo, alrededor de la amplitud media A o . Para ello, se reemplaza A o en la ecuación anterior por A ( t ) donde A es otra sinusoide, similar a los ciclos y epiciclos de la teoría ptolemaica . Esto da
es decir, un valor medio A o con una variación sinusoidal a su alrededor de magnitud A a , con frecuencia ω a y fase p a . Sustituyendo esto por A o en la ecuación original se obtiene un producto de dos factores coseno:
Dado que para cualquier x e y
Es evidente que un término compuesto que implica el producto de dos términos coseno, cada uno con su propia frecuencia, es lo mismo que tres términos coseno simples que se deben sumar en la frecuencia original y también en frecuencias que son la suma y la diferencia de las dos frecuencias del término producto. (Tres, no dos términos, ya que la expresión completa es .) Considere además que la fuerza de marea en una ubicación depende también de si la Luna (o el Sol) está por encima o por debajo del plano del Ecuador, y que estos atributos tienen sus propios períodos también inconmensurables con un día y un mes, y es evidente que resultan muchas combinaciones. Con una elección cuidadosa de las frecuencias astronómicas básicas, el Número Doodson anota las adiciones y diferencias particulares para formar la frecuencia de cada término coseno simple.
Recuerde que las mareas astronómicas no incluyen los efectos meteorológicos. Además, los cambios en las condiciones locales (movimiento de bancos de arena, dragado de bocas de puertos, etc.) que se alejan de las que prevalecen en el momento de la medición afectan el momento y la magnitud reales de la marea. Las organizaciones que citan una "marea astronómica más alta" para alguna ubicación pueden exagerar la cifra como factor de seguridad frente a incertidumbres analíticas, distancia desde el punto de medición más cercano, cambios desde la última hora de observación, hundimiento del suelo, etc., para evitar responsabilidades en caso de que una obra de ingeniería se vea sobrepasada. Se debe tener especial cuidado al evaluar el tamaño de una "oleada meteorológica" restando la marea astronómica de la marea observada.
Un análisis cuidadoso de los datos de Fourier durante un período de diecinueve años (la época del dato nacional de mareas en los EE. UU.) utiliza frecuencias llamadas constituyentes armónicos de marea . Se prefieren diecinueve años porque las posiciones relativas de la Tierra, la Luna y el Sol se repiten casi exactamente en el ciclo metónico de 19 años, que es lo suficientemente largo como para incluir el constituyente de marea nodal lunar de 18,613 años . Este análisis se puede realizar utilizando solo el conocimiento del período de forzamiento , pero sin una comprensión detallada de la derivación matemática, lo que significa que se han construido tablas de mareas útiles durante siglos. [69] Las amplitudes y fases resultantes se pueden utilizar para predecir las mareas esperadas. Estas suelen estar dominadas por los constituyentes cerca de las 12 horas (los constituyentes semidiurnos ), pero también hay constituyentes principales cerca de las 24 horas ( diurnos ). Los constituyentes de más largo plazo son de 14 días o quincenales , mensuales y semestrales. Las mareas semidiurnas predominan en la costa, pero algunas áreas como el mar de China Meridional y el golfo de México son principalmente diurnas. En las áreas semidiurnas, los períodos M2 (lunar) y S2 (solar) de los componentes primarios difieren ligeramente, de modo que las fases relativas y, por lo tanto , la amplitud de la marea combinada, cambian quincenalmente (período de 14 días). [70]
En el gráfico M 2 anterior, cada línea cotidal difiere en una hora de sus vecinas, y las líneas más gruesas muestran mareas en fase con equilibrio en Greenwich. Las líneas giran alrededor de los puntos anfidrómicos en sentido antihorario en el hemisferio norte, de modo que desde la península de Baja California hasta Alaska y desde Francia hasta Irlanda la marea M 2 se propaga hacia el norte. En el hemisferio sur esta dirección es en el sentido de las agujas del reloj. Por otro lado, la marea M 2 se propaga en sentido antihorario alrededor de Nueva Zelanda, pero esto se debe a que las islas actúan como una presa y permiten que las mareas tengan diferentes alturas en los lados opuestos de las islas. (Las mareas se propagan hacia el norte en el lado este y hacia el sur en la costa oeste, como predice la teoría).
La excepción es el estrecho de Cook , donde las corrientes de marea vinculan periódicamente la pleamar con la bajamar. Esto se debe a que las líneas cotidales de 180° alrededor de los anfidromos están en fase opuesta, por ejemplo, la pleamar frente a la bajamar en cada extremo del estrecho de Cook. Cada componente de marea tiene un patrón diferente de amplitudes, fases y puntos anfidrómicos, por lo que los patrones M 2 no se pueden utilizar para otros componentes de marea.
Como la Luna se mueve en su órbita alrededor de la Tierra y en el mismo sentido que la rotación de la Tierra, un punto de la Tierra debe rotar un poco más para alcanzarla, de modo que el tiempo entre mareas semidiurnas no sea de doce sino de 12,4206 horas, un poco más de veinticinco minutos adicionales. Los dos picos no son iguales. Las dos mareas altas del día se alternan en alturas máximas: marea baja (poco menos de un metro), marea alta (poco más de un metro) y nuevamente marea baja. Lo mismo ocurre con las mareas bajas.
Cuando la Tierra, la Luna y el Sol están alineados (Sol-Tierra-Luna o Sol-Luna-Tierra), las dos influencias principales se combinan para producir mareas vivas; cuando las dos fuerzas se oponen entre sí, como cuando el ángulo Luna-Tierra-Sol es cercano a los noventa grados, se producen mareas muertas. A medida que la Luna se mueve alrededor de su órbita, cambia de norte a sur del Ecuador. La alternancia en las alturas de las mareas altas se hace más pequeña, hasta que son las mismas (en el equinoccio lunar, la Luna está por encima del Ecuador), luego se vuelve a desarrollar pero con la otra polaridad, creciendo hasta una diferencia máxima y luego menguando nuevamente.
La influencia de las mareas en la corriente o el flujo es mucho más difícil de analizar, y los datos son mucho más difíciles de recopilar. Una altura de marea es una cantidad escalar y varía suavemente en una amplia región. Un flujo es una cantidad vectorial , con magnitud y dirección, las cuales pueden variar sustancialmente con la profundidad y en distancias cortas debido a la batimetría local. Además, aunque el centro de un canal de agua es el sitio de medición más útil, los navegantes se oponen cuando el equipo de medición de corrientes obstruye las vías navegables. Un flujo que avanza por un canal curvo puede tener una magnitud similar, aunque su dirección varíe continuamente a lo largo del canal. Sorprendentemente, los flujos de inundación y reflujo a menudo no son en direcciones opuestas. La dirección del flujo está determinada por la forma del canal aguas arriba, no por la forma del canal aguas abajo. Del mismo modo, los remolinos pueden formarse solo en una dirección de flujo.
Sin embargo, el análisis de las corrientes de marea es similar al análisis de las alturas de marea: en el caso simple, en un lugar determinado, el flujo de la inundación se produce principalmente en una dirección y el flujo del reflujo en otra dirección. Las velocidades de la inundación se asignan con signo positivo y las velocidades del reflujo con signo negativo. El análisis se realiza como si se tratara de alturas de marea.
En situaciones más complejas, los flujos de marea principales no predominan. En cambio, la dirección y la magnitud del flujo trazan una elipse a lo largo de un ciclo de marea (en un gráfico polar) en lugar de a lo largo de las líneas de marea y crecida. En este caso, el análisis podría realizarse a lo largo de pares de direcciones, con las direcciones primaria y secundaria en ángulos rectos. Una alternativa es tratar los flujos de marea como números complejos, ya que cada valor tiene una magnitud y una dirección.
La información sobre el flujo de mareas se ve con mayor frecuencia en las cartas náuticas , presentadas como una tabla de velocidades de flujo y rumbos a intervalos de una hora, con tablas separadas para mareas vivas y muertas. La sincronización es relativa a la pleamar en algún puerto donde el comportamiento de las mareas es similar en patrón, aunque puede estar muy lejos.
Al igual que con las predicciones de la altura de las mareas, las predicciones del flujo de mareas basadas únicamente en factores astronómicos no incorporan las condiciones climáticas, que pueden cambiar por completo el resultado.
El flujo de mareas a través del estrecho de Cook entre las dos islas principales de Nueva Zelanda es particularmente interesante, ya que las mareas en cada lado del estrecho están casi exactamente desfasadas, de modo que la marea alta de un lado es simultánea con la marea baja del otro. El resultado son fuertes corrientes, con un cambio de altura de marea casi nulo en el centro del estrecho. Sin embargo, aunque la marea alta normalmente fluye en una dirección durante seis horas y en la dirección inversa durante seis horas, una marea particular puede durar ocho o diez horas con la marea inversa debilitada. En condiciones climáticas especialmente tormentosas, la marea inversa puede ser superada por completo de modo que el flujo continúa en la misma dirección durante tres o más períodos de marea alta.
Una complicación adicional para el patrón de flujo del estrecho de Cook es que la marea en el lado sur (por ejemplo, en Nelson ) sigue el ciclo común de marea viva-muerta quincenal (como el que se encuentra a lo largo del lado oeste del país), pero el patrón de mareas del lado norte tiene solo un ciclo por mes, como en el lado este: Wellington y Napier .
El gráfico de las mareas del estrecho de Cook muestra por separado la altura y la hora de las pleamares y las bajamares hasta noviembre de 2007; no se trata de valores medidos, sino que se calculan a partir de parámetros de marea derivados de mediciones realizadas hace años. La carta náutica del estrecho de Cook ofrece información sobre las corrientes de marea. Por ejemplo, la edición de enero de 1979 para 41°13.9′S 174°29.6′E / 41.2317, 174.4933 (al noroeste del cabo Terawhiti ) hace referencia a los tiempos de Westport, mientras que la edición de enero de 2004 hace referencia a Wellington. Cerca del cabo Terawhiti, en medio del estrecho de Cook, la variación de la altura de las mareas es casi nula, mientras que la corriente de marea alcanza su máximo, especialmente cerca de la famosa resaca de Karori. Aparte de los efectos meteorológicos, las corrientes reales a través del estrecho de Cook están influenciadas por las diferencias de altura de las mareas entre los dos extremos del estrecho y, como se puede ver, solo una de las dos mareas vivas en el extremo noroeste del estrecho cerca de Nelson tiene una marea viva equivalente en el extremo sureste (Wellington), por lo que el comportamiento resultante no sigue ninguno de los puertos de referencia. [ cita requerida ]
La energía de las mareas se puede extraer de dos maneras: insertando una turbina de agua en una corriente de marea o construyendo estanques que liberen/admitan agua a través de una turbina. En el primer caso, la cantidad de energía está determinada completamente por el momento y la magnitud de la corriente de marea. Sin embargo, las mejores corrientes pueden no estar disponibles porque las turbinas obstruirían a los barcos. En el segundo caso, las presas de embalse son caras de construir, los ciclos naturales del agua se alteran por completo y la navegación de los barcos se ve afectada. Sin embargo, con varios estanques, se puede generar energía en momentos elegidos. Hasta ahora, hay pocos sistemas instalados para la generación de energía de las mareas (el más famoso, La Rance en Saint Malo , Francia) que enfrentan muchas dificultades. Aparte de los problemas ambientales, simplemente soportar la corrosión y la suciedad biológica plantea desafíos de ingeniería.
Los defensores de la energía maremotriz señalan que, a diferencia de los sistemas de energía eólica, los niveles de generación se pueden predecir de manera fiable, salvo por los efectos meteorológicos. Si bien es posible cierta generación durante la mayor parte del ciclo de las mareas, en la práctica las turbinas pierden eficiencia a tasas de operación más bajas. Dado que la energía disponible a partir de un flujo es proporcional al cubo de la velocidad del flujo, los períodos durante los cuales es posible generar energía alta son breves.
Las corrientes de marea son importantes para la navegación y, si no se tienen en cuenta, se producen errores de posición importantes. Las alturas de las mareas también son importantes; por ejemplo, muchos ríos y puertos tienen una "barra" poco profunda en la entrada que impide que los barcos con un calado importante entren durante la marea baja.
Hasta la llegada de la navegación automatizada, la capacidad de calcular los efectos de las mareas era importante para los oficiales navales. En el certificado de examen para tenientes de la Marina Real se declaraba que el futuro oficial era capaz de "cambiar las mareas". [71]
Los tiempos y velocidades de las mareas aparecen en los gráficos de mareas o en un atlas de corrientes de mareas . Los gráficos de mareas se presentan en conjuntos. Cada gráfico cubre una sola hora entre una pleamar y otra (ignoran los 24 minutos restantes) y muestran el flujo de marea promedio para esa hora. Una flecha en el gráfico de mareas indica la dirección y la velocidad de flujo promedio (generalmente en nudos ) para mareas vivas y muertas. Si no se dispone de un gráfico de mareas, la mayoría de los gráficos náuticos tienen " rombos de mareas " que relacionan puntos específicos en el gráfico con una tabla que muestra la dirección y la velocidad del flujo de marea.
El procedimiento estándar para contrarrestar los efectos de las mareas en la navegación es (1) calcular una posición de " estimación de la posición " (o DR) a partir de la distancia y la dirección del viaje, (2) marcar la carta (con una cruz vertical como un signo más) y (3) dibujar una línea desde la DR en la dirección de la marea. La distancia que la marea mueve al barco a lo largo de esta línea se calcula mediante la velocidad de la marea, y esto da una "posición estimada" o EP (tradicionalmente marcada con un punto en un triángulo).
Las cartas náuticas muestran la "profundidad cartografiada" del agua en lugares específicos mediante " sondeos " y el uso de líneas de contorno batimétricas para representar la forma de la superficie sumergida. Estas profundidades son relativas a un " datum cartográfico ", que normalmente es el nivel del agua en la marea astronómica más baja posible (aunque se utilizan comúnmente otros datums, especialmente históricamente, y las mareas pueden ser más bajas o más altas por razones meteorológicas) y, por lo tanto, son la profundidad mínima posible del agua durante el ciclo de mareas. Las "alturas de secado" también pueden mostrarse en la carta, que son las alturas del fondo marino expuesto en la marea astronómica más baja.
Las tablas de mareas indican las alturas y horas de marea alta y baja de cada día. Para calcular la profundidad real del agua, añada la profundidad registrada en la tabla a la altura de marea publicada. La profundidad para otros momentos se puede derivar de las curvas de marea publicadas para los principales puertos. La regla de los doceavos puede ser suficiente si no se dispone de una curva precisa. Esta aproximación presupone que el aumento de profundidad en las seis horas entre marea baja y marea alta es: primera hora: 1/12, segunda: 2/12, tercera: 3/12, cuarta: 3/12, quinta: 2/12, sexta: 1/12.
La ecología intermareal es el estudio de los ecosistemas entre las líneas de bajamar y pleamar a lo largo de una costa. En bajamar, la zona intermareal está expuesta (o emergida ), mientras que en pleamar, está bajo el agua (o sumergida ). Por lo tanto, los ecólogos intermareales estudian las interacciones entre los organismos intermareales y su entorno, así como entre las diferentes especies . Las interacciones más importantes pueden variar según el tipo de comunidad intermareal. Las clasificaciones más amplias se basan en sustratos: costa rocosa o fondo blando.
Los organismos intermareales experimentan un entorno muy variable y a menudo hostil, y se han adaptado para hacer frente a estas condiciones e incluso aprovecharlas. Una característica fácilmente visible es la zonificación vertical , en la que la comunidad se divide en bandas horizontales diferenciadas de especies específicas en cada elevación por encima del nivel del agua baja. La capacidad de una especie para hacer frente a la desecación determina su límite superior, mientras que la competencia con otras especies establece su límite inferior.
Los seres humanos utilizan las regiones intermareales para alimentarse y divertirse. La sobreexplotación puede dañarlas directamente. Otras acciones antropogénicas, como la introducción de especies invasoras y el cambio climático , tienen grandes efectos negativos. Las áreas marinas protegidas son una opción que las comunidades pueden aplicar para proteger estas áreas y ayudar a la investigación científica .
El ciclo de mareas, que dura aproximadamente 12 horas y quince días, tiene grandes efectos en los organismos intermareales [72] y marinos. [73] Por lo tanto, sus ritmos biológicos tienden a ocurrir en múltiplos aproximados de estos períodos. [74] Muchos otros animales, como los vertebrados , muestran ritmos circatidales similares. [75] Algunos ejemplos son la gestación y la eclosión de los huevos. En los humanos, el ciclo menstrual dura aproximadamente un mes lunar , un múltiplo par del período de las mareas. Estos paralelismos al menos insinúan la descendencia común de todos los animales a partir de un ancestro marino. [76]
Cuando las corrientes de marea oscilantes en el océano estratificado fluyen sobre una topografía irregular del fondo, generan ondas internas con frecuencias de marea. Estas ondas se denominan mareas internas .
Las áreas poco profundas en aguas abiertas pueden experimentar corrientes de marea rotatorias, que fluyen en direcciones que cambian continuamente y, por lo tanto, la dirección del flujo (no el flujo) completa una rotación completa en 12+1 ⁄ 2 horas (por ejemplo, Nantucket Shoals ). [77]
Además de las mareas oceánicas, los grandes lagos pueden experimentar pequeñas mareas e incluso los planetas pueden experimentar mareas atmosféricas y mareas terrestres . Se trata de fenómenos de mecánica continua . Las dos primeras tienen lugar en fluidos . La tercera afecta a la delgada corteza sólida de la Tierra que rodea su interior semilíquido (con diversas modificaciones).
Los lagos grandes como el Superior y el Erie pueden experimentar mareas de 1 a 4 cm (0,39 a 1,6 pulgadas), pero estas pueden verse enmascaradas por fenómenos inducidos meteorológicamente como el seiche . [78] La marea en el lago Michigan se describe como de 1,3 a 3,8 cm (0,5 a 1,5 pulgadas) [79] o 4,4 cm ( 1+3 ⁄ 4 pulgadas). [80] Esto es tan pequeño que otros efectos más grandes enmascaran completamente cualquier marea y, como tal, estos lagos se consideran no mareales. [81]
Las mareas atmosféricas son insignificantes a nivel del suelo y a altitudes de aviación, y quedan enmascaradas por los efectos mucho más importantes del clima . Las mareas atmosféricas son de origen tanto gravitacional como térmico y son la dinámica dominante entre los 80 y los 120 kilómetros (50 a 75 millas), por encima de los cuales la densidad molecular se vuelve demasiado baja para soportar el comportamiento de los fluidos.
Las mareas terrestres afectan a toda la masa de la Tierra, que actúa de manera similar a un giroscopio líquido con una corteza muy delgada. La corteza terrestre se desplaza (hacia adentro/hacia afuera, este/oeste, norte/sur) en respuesta a la gravitación lunar y solar, las mareas oceánicas y la carga atmosférica. Si bien son insignificantes para la mayoría de las actividades humanas, la amplitud semidiurna de las mareas terrestres puede alcanzar aproximadamente 55 centímetros (22 pulgadas) en el Ecuador (15 centímetros (5,9 pulgadas) debido al Sol), lo que es importante en la calibración del GPS y las mediciones VLBI . Las mediciones angulares astronómicas precisas requieren el conocimiento de la tasa de rotación de la Tierra y el movimiento polar , ambos influenciados por las mareas terrestres. Las mareas terrestres semidiurnas M 2 están casi en fase con la Luna con un desfase de aproximadamente dos horas. [ cita requerida ]
Las mareas galácticas son las fuerzas de marea ejercidas por las galaxias sobre las estrellas que se encuentran en su interior y sobre las galaxias satélite que orbitan alrededor de ellas. Se cree que los efectos de las mareas galácticas sobre la nube de Oort del Sistema Solar causan el 90 por ciento de los cometas de período largo. [82]
Los tsunamis , las grandes olas que se producen después de los terremotos, a veces se denominan maremotos , pero este nombre se da por su parecido con la marea, en lugar de cualquier vínculo causal con la marea. Otros fenómenos no relacionados con las mareas pero que utilizan la palabra marea son la marea de resaca , la marea de tormenta , la marea de huracán y las mareas negras o rojas . Muchos de estos usos son históricos y hacen referencia al significado anterior de marea como "una porción de tiempo, una estación" y "una corriente, un arroyo o una inundación". [83]
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