Sistema de observación marina para prevenir fuertes oleajes y maremotos

A fin de prevenir la llegada de fuertes oleajes a las costas, incluso maremotos, un conjunto de instituciones prepara un sistema estereo de monitoreo marino, denominado WASS (Wave Acquisition Stereo System), el cual permite una evaluación comparativa de las mareas y su impacto sobre la costa, la navegación y las plataformas marinas, muy superior a la clásica de las boyas u otra instrumentación tradicional.

Mediante esta herramienta, instalada a una cierta altura, se obtienen datos fidedignos de la topografía de la superficie marina en amplias áreas del océano, de los que es posible extraer parámetros característicos de las olas: altura representativa, dirección de propagación, espectro, etcétera.

Sistema de observación remota de estados del mar mediante visión artificial. Izquierda: plataforma Acqua Alta, en el Mar Adriático. Centro: cámaras instaladas a doce metros sobre el nivel del mar. Derecha: sistema de adquisición de vídeo conectado a las cámaras.

En el proyecto participan, además del Grupo de Tratamiento de Imágenes (GTI) de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), la School of Civil and Environmental Engineering y la School of Electrical and Computer Engineering del Georgia Institute of Technology (Atlanta, EEUU), y el Institute of Marine Sciences, Italian National Research Council (Venecia, Italia).

La iniciativa surgió en el Georgia Institute of Technology a partir de un estudio financiado por la petrolera Chevron Corporation, interesada en estimar la altura máxima de las olas en una región del océano. Así lo explica el doctor Guillermo Gallego, del GTI, uno de los investigadores pioneros de este proyecto, junto a los doctores F. Fedele, A. Yezzi y A. Benetazzo. El propósito era reconocer la topografía marina de superficie a fin de diseñar la zona de salpicadura (altura en la que se ha de colocar la cubierta) de sus plataformas de explotación para que no se vean perjudicadas por grandes olas generadas durante las tormentas.

El sistema funciona experimentalmente a 15 kilómetros de la costa de Venecia, en el norte del mar Adriático, y se podría emplear para generar alarmas y subir las barreras móviles del MOSE (MOdulo Sperimentale Elettromeccanico) que protegen la laguna. “Actualmente, lo utilizamos para realizar estudios físicos de estados de la mar, midiendo parámetros característicos de las olas (como la altura representativa, longitud de onda y período medios, dirección de propagación, espectro tridimensional, etcétera) que nos permiten contrastar modelos teóricos con datos experimentales de olas reales, no simuladas”, indica el doctor Gallego.

Este investigador de la UPM apunta que, aunque está en fase experimental, y las áreas elegidas (Venecia y mar Negro, cerca de la península de Crimea) no son especialmente turbulentas, esta herramienta de medición de mareas podría utilizarse para detectar maremotos. Asegura, incluso, que habría permitido anticipar los efectos perversos del temporal que afectó a la costa cantábrica a primeros de este año 2014, con olas de hasta 20 metros de altura. Esto habría sido posible instalando cámaras en plataformas o faros cercanos a la costa que habrían proporcionado mayor conocimiento sobre la magnitud del temporal.

Útil para detectar maremotos

Además, el doctor Gallego sugiere que si WASS se adaptara para su instalación en helicópteros o drones, podrían monitorizarse grandes áreas del océano. De esta manera, ayudaría a detectar anomalías en la superficie del mar que son indicadoras de los cambios de presión bajo el fondo marino, las cuales están relacionadas con los maremotos.

Izquierda: imagen del mar captada por una de las cámaras. Derecha: mapa de elevación de la superficie del mar en la zona resaltada en la imagen de la izquierda. Se observa un frente de ondas propagándose en dirección hacia la plataforma (cámaras)

Las ventajas del sistema de medición del oleaje mediante visión artificial (cámaras estéreo) sobre los sistemas tradicionales de boyas son varias, pero principalmente dos: económicas (tanto de instalación como de mantenimiento) y científicas. En cuanto a la última, el investigador destaca que, espacialmente, las cámaras permiten observar y medir las olas en una región del mar, mientras que los métodos tradicionales solo miden en un punto. Si se desea obtener información direccional mediante estos últimos, es necesario un array de puntos de observación, lo que implica utilizar varias boyas y, aún así, la información topográfica que estas dan no es tan rica como la proporcionada por el sistema de visión, pues solo miden en varios puntos en vez de disponer del mapa de elevación de la superficie del mar sobre una región. Un ejemplo claro es el de la estimación de la altura máxima de las olas en una región durante cierto período de tiempo: si la cresta de la ola no pasa justo por las boyas, estas subestimarán dicha altura máxima; en cambio, el sistema de visión permite la observación de toda la zona bajo estudio, así que su estimación de la altura máxima será más precisa.

Al contrario que otros métodos, este sistema permite una caracterización completa de la altura de las olas tanto en espacio (2D) como en el tiempo (1D), lo cual da lugar a un volumen (3D) de datos con toda la información relevante de la superficie del mar: altura representativa de las olas, dirección de propagación, espectro, etcétera. Solo hace falta saber extraer dicha información, indica el doctor Gallego. “Por ejemplo, de forma similar al funcionamiento de un ecualizador gráfico en un reproductor de sonido, se puede obtener la cantidad de energía de las olas contenida en distintas bandas de frecuencia (espaciales y temporales). El análisis de dicha distribución de la energía (espectro 3D) de las olas revela información valiosa de las mismas”.

Para explicarlo mejor, el investigador añade que “si la energía no se distribuye según la ley de dispersión en agua profunda (la cual establece una relación entre la longitud de onda de las olas y el periodo de las mismas), sino que se observa un desplazamiento en frecuencia (efecto Doppler), esto puede ser debido a la existencia de una corriente marina cuya dirección y magnitud podemos estimar analizando las alteraciones que provoca en la superficie, es decir, sin necesidad de medirla mediante instrumentación submarina”. Y concluye: “Los cortes o secciones del espectro 3D permiten analizar información bidimensional: dirección de propagación de ondas y longitud de las mismas (espacio versus espacio), relación de dispersión (espacio versus tiempo) y efectos no-lineales difíciles de revelar por otros medios”.

En el futuro, este conjunto de herramientas podría permitir reproducir algo tan cambiante como  la  topografía de las aguas del océano e incluso cartografíar las mareas de distintas áreas marinas, aunque para ello sería necesario invertir más tiempo y unos recursos de almacenamiento para guardar los datos de los que ahora no disponen los investigadores. Sin embargo, no descartan avanzar un paso más, ya que su sistema utiliza el análisis multi-resolución para reconstruir la superficie del mar, lo que permite elegir hasta qué nivel de detalle interesa estimar el oleaje. Finalmente, supondría un estudio más amplio del océano como fuente inagotable de investigación que serviría para contrastar y validar modelos teóricos con el que generar conocimiento científico.

Sección bidimensional de la densidad espectral 3D de energía de las olas, en falso color desde el azul (poca densidad de energía) hasta el rojo (mucha densidad energía). La curva blanca indica dónde se debería concentrar dicha energía en ausencia de corrientes, siguiendo la relación de dispersión. Dado que se observa un desplazamiento de la concentración de energía, se puede estimar la corriente submarina que provoca dicho efecto Doppler (curva negra).