lunes, 30 de marzo de 2015

Física elemental de los tsunamis y otros datos.



En este trabajo voy a tratar el caso de los tsunamis, su origen y su desarrollo, así como el motivo por el cual son tan perjudiciales en las costas de los mares. El lector puede confiar en que el contenido de éste proviene de fuentes científicas serias que no incluyo aquí por las razones que expongo en el último párrafo.

Tsunami quiere decir ola desbordada, o también, ola de marejada. Enseguida muestro los ideogramas con los que se escribe en Kanji (a la izquierda) y en Hiragana (al centro). En nuestro alfabeto fonético proveniente de los signos romanos se encuentra a la derecha:



El tsunami de Sumatra en 2004.
Un día después de la navidad de 2004, el domingo 26 de diciembre, nos encontramos con una noticia impresionante por la magnitud del desastre y el número de muertos. El día anterior no había habido noticias frescas porque los trabajadores de los diarios habían descansado. Por la tarde del sábado 25, un diario en línea de la ciudad de México, que mantiene un sistema minuto a minuto de información nacional e internacional, abrió de nuevo sus reportes periodísticos y por la noche empezó a informar del desastre que estaba ocurriendo en la costa oriental de la India, Bengala Oriental (Blanga Desh) y en la costa occidental de Birmania, el norte de la isla Sumatra, además de una multitud de pequeñas islas consideradas paraísos tropicales en la mitad del Océano Índico. Un tsunami registrado el 26 de diciembre de 2004 se había originado en la punta noroccidental de la isla de Sumatra y había barrido las costas del golfo de Bengala. Después nos enteraríamos de que había dejado 230 000 muertos.

El tsunami de Japón en 2011 y un caso de censura a la difusión científica.
Más de seis años después, el viernes 11 de marzo de 2011, por la mañana, nos enteramos de un sismo de 9 grados Richter enfrente de las costas de Japón, a 130 kilómetros al este de la prefectura de Miyagi. Enseguida vimos en las imágenes de la televisión un conjunto de tomas aéreas que mostraban una ola de agua marítima que avanzaba sobre tierra firme. Parecía como si se tratara de la maqueta de juguete de un niño que recibía el flujo del agua de un grifo ubicado fuera de la toma de la cámara. Las construcciones organizadas eran cubiertas por el mar y los pequeños objetos que se llevaba aparecían enseguida como agua sucia con un poco de espuma. Lo que estábamos presenciando era un tsunami gigantesco que sería noticia durante muchos días más y que traería como una de sus consecuencias el descontrol de una planta nuclear de Fukushima.

En marzo de 2011 todavía teníamos un programa de radio de difusión de la ciencia y el miércoles siguiente, 16 de marzo, presentamos los hechos más relevantes desde el punto de vista de los datos científicos disponibles. Explicamos qué era la radiación que escapaba del reactor fuera de control, la razón de las explosiones, la forma en que se estaba contaminando el agua de la bahía cercana y cómo eso afectaría en las costas de Japón, y después, en la cadena alimenticia hasta impactar en los animales depredadores grandes, como el atún. En su momento explicamos que el atún del Océano Pacífico viajaba entre los mares de China o de Japón y las aguas que se encuentran enfrente del continente de la América del Norte. Hicimos ver que, de acuerdo a los especialistas que habían monitoreado el movimiento de esa especie, los atunes que en marzo estaban nadando enfrente de Japón estarían 10 meses más tarde a unos cuantos cientos de kilómetros de California, en Estados Unidos, y de Baja California, en México, donde podrían ser pescados, enlatados y ofrecidos a la venta de los consumidores.

Con los datos anteriores impartí una conferencia en el Departamento de Física y el sistema de comunicación interna de la Universidad de Sonora lo cubrió con mucho interés hasta el nivel de las preguntas necesarias para realizar un reportaje interno. Después, el encargado de la noticia me hablaría por teléfono para decirme que la nota no saldría en el portal de la institución y que el tema lo conversaríamos después.

Nunca lo hablamos, y en su lugar, el mismo portal de noticias de la Universidad de Sonora privilegió las declaraciones de otros integrantes del personal académico que decían que no había ningún peligro y que no debíamos preocuparnos.

¿Qué es un tsunami?
Un tsunami es una oscilación en el agua del mar, notable en su superficie, que tiene un periodo de vibración que puede ir desde un minuto hasta casi tres horas.

Visto desde la costa, esto significa que el nivel del agua puede bajar mucho más allá de los límites comunes en los instantes de marea baja, para regresar después a un nivel que está por arriba de la marea alta conocida en ese sitio. En esencia se trata de una onda como la de la figura siguiente



Exceptuando la parte de la superficie del agua que se encuentra justo sobre el sitio donde se realiza el movimiento del fondo marino, lejos de la costa la onda del tsunami no es muy peligrosa y puede pasar desapercibida para un buque cualquiera.

El origen de los tsunamis suelen ser movimientos en suelo marino, que consisten de una perturbación que se extiende del orden de 100 kilómetros, lo cual excede en mucho la profundidad promedio del mar, que podría ser, en promedio, de 4 kilómetros de profundidad.

Durante un terremoto marino aparecen conjuntos de olas muy altas que se forman en la superficie del escenario inmediatamente arriba del fondo del mar que experimenta los movimientos bruscos. Entonces se presentan columnas individuales de agua muy bien diferenciadas y formaciones solitarias de este líquido, acompañadas de efectos acústicos intensos. Los movimientos son tan rápidos que se generan cavidades en el agua que separan diferentes capas de ésta. Un navío que se ubique en la zona de influencia del terremoto marino se encontrará rodeado por olas verticales que llenan por completo el espacio visible. Ocurren vibraciones que suenan como truenos y aullidos que son aumentados por golpes muy fuertes sobre el casco. Las más poderosas logran sacudir el buque y destruyen las estructuras de la cubierta, aún en casos de navíos que habían soportado varias tormentas.

La altura de las ondas que surgen del agua superan los 10 metros y la velocidad de su movimiento en la superficie está por encima de los 10 metros por segundo, que son 36 kilómetros por hora. La aceleración de las partículas del agua podrían alcanzar los 10 metros sobre segundo al cuadrado, un número ligeramente por encima de la aceleración de un cuerpo en caída libre a causa de la gravedad terrestre. El agua que se levanta genera una presión de hasta 20 atmósferas. Similar a la que ejerce en el fondo de una gran represa una columna de agua de 103 metros de altura. En estas condiciones mueren muchos animales marinos y peces, las estructuras de un barco podrían destruirse y generar una situación de emergencia.

En términos de la descripción de la física teórica hay dos parámetros fundamentales a considerar, uno es la extensión del fondo marino que se mueve, la cual suele denotarse con la letra L, otro es la profundidad del mar en el sitio donde ocurre el fenómeno sísmico, para el cual se acostumbra usar la letra H. En la mayoría de los casos el cociente: H sobre L varía desde 0.001 hasta 0.1. Las oscilaciones del fondo marino se ubican entre 0.001 vibraciones y 10 vibraciones por segundo.

La velocidad de los tsunamis y su impacto sobre las costas.

¿Por qué un tsunami es tan devastador en las costas, pero no puede ser notado por un navío en alta mar?

Sin considerar el sitio que se encuentra arriba de la región donde ocurren los movimientos bruscos del suelo marino, para los barcos que viajan a varios cientos de kilómetros del origen de un maremoto se trata de un ascenso y descenso del nivel del agua en una región que es miles de veces más larga que la longitud del buque. Si el periodo es de un minuto o dos, el ascenso es tan lento que los seres humanos no alcanzan a sentirlo, aunque lo pueden medir con los aparatos adecuados. Es una onda que viaja aproximadamente a 702 kilómetros por hora, que sube unas cuantas decenas de centímetros y que no tiene la naturaleza de una ola cuya longitud de onda es de pocos metros. Estas últimas son perturbaciones superficiales, mientras que los tsunamis tienen una profundidad de cientos o miles de metros porque son una especie de empujón que viene desde el fondo del mar.

Para tener una idea de la magnitud de la velocidad de los tsunamis, podemos comparar con el caso de los aviones modernos. La velocidad de crucero de un avión jet de uso comercial suele estar entre los 878 y los 923 km/h. La velocidad de crucero es aquélla en la que la nave es más eficiente en el uso del combustible.

La velocidad de un tsunami depende de la profundidad a la que se encuentra el suelo marino sobre el cual está viajando, en primera aproximación, válida cuando la longitud de la onda es muy grande comparada con la distancia desde la superficie del agua hasta el fondo del mar, se trata de una fórmula simple en la cual se multiplica la aceleración gravitatoria (9.8 metros sobre segundo al cuadrado) por la longitud de la onda y se le saca raíz cuadrada. En general, la expresión para calcular la velocidad depende de la longitud de la onda, de modo que aquí estoy hablando de una aproximación.

Si se hace una gráfica de la velocidad de la onda respecto a la profundidad del suelo marino, resulta la siguiente figura:



Algunos ejemplos resultan de utilidad en este punto. El viaje de un tsunami es similar, en rapidez, al vuelo de un avión jet comercial. Si un tsunami es originado por un terremoto localizado enfrente de las costas de Valparaíso, Chile, tendría que recorrer 6 560 kilómetros antes de llegar a las playas de Manzanillo, Colima, en las costas del sur de México. Emplearía para ese viaje un poco más de 9 horas con 20 minutos.

Un tsunami originado frente a las costas de Hawai tendría que viajar 5 330 kilómetros antes de alcanzar la bahía de Manzanillo y emplearía 7 horas y media.

En cambio, si un movimiento telúrico localizado frente a las costas de Michoacán, o de Guerrero, produce el tsunami, éste tardaría en llegar apenas 20 o 30 minutos. Una alerta de tsunami requeriría un sistema muy eficiente de comunicación para dar oportunidad a la población de la costa de buscar sitios seguros donde resguardarse.

El gráfico anterior amerita un análisis más cuidadoso. Supongamos el caso de Manzanillo, Colima, otra vez, solamente con el propósito de dar una explicación detallada. Estudiando el suelo marino enfrente de esta ciudad costera tenemos distancias y profundidades que son especificadas en la tabla que sigue. Allí es claro también (columna derecha) que la rapidez de avance de un tsunami acercándose a la costa empezaría a disminuir para caer desde 502 kilómetros por hora a 50 kilómetros de la costa, a solamente 79 kilómetros por hora en el momento de entrar a la boca de la bahía.


Este descenso brusco de la rapidez de las ondas que van delante produce la aglomeración de agua que empuja desde atrás. Esto es similar (no igual) a tener una carretera llena de autos que transitan inicialmente a la misma velocidad, pero tal que los que van adelante empiezan a frenar. Entonces se agolpan y se acumulan hasta producir una ola más alta de lo que era unas decenas de kilómetros antes.



La analogía no debe llevarse demasiado lejos porque, mientras en el caso de los automóviles sucede que estos sí se trasladan grandes distancias, en el caso del tsunami ocurren movimientos de las moléculas que son similares a una elipse con el eje mayor en forma vertical. Como se muestra en la siguiente figura:



Los tsunamis más impactantes en los últimos quinientos años.
Ahora los tsunamis son más fáciles de registrar gracias al avance tecnológico y al desarrollo de las comunicaciones. Eso genera la apariencia de que hoy tenemos más de estos desastres que antes. No es así y debemos tener en cuenta que estos han existido desde que se presentó en la Tierra esta combinación de océanos y de placas tectónicas. A continuación muestro más de veinte de los tsunamis registrados en los últimos siglos. No incluyo los de 2004 y de 2011.



He dicho antes que el tsunami que se propagó en el golfo de Bengala es el más perjudicial de todos. Por supuesto influye la mayor aglomeración de personas en las costas debido al crecimiento poblacional. También la oportunidad que existe ahora de registrar a los seres humanos, pero además, importa la geografía del sitio. Eso lo veremos enseguida.

¿Por qué el tsunami de Sumatra (en 2004) mató a tantas personas?
El terremoto de Japón de marzo de 2011 liberó una energía que es casi el doble de la del terremoto de sumatra en 2004. Sin embargo, el primero de ellos lanzó su energía contra Japón, cuyo archipiélago recibió un impacto terrible, pero el avance de esta energía ocurrió en un círculo cuyo radio crecía en todas direcciones, tal que mucho más de la mitad se dirigió hacia el Océano Pacífico, donde las afectaciones fueron mucho menores por no encontrar costas continentales.

El terremoto del 26 de diciembre de 2004 en Sumatra, en el Océano Índico, fue de magnitud 9.1 en la escala de Richter, tuvo a su origen en la sección noroccidental de la isla de Sumatra, justo al este del Golfo de Bengala, cuyas costas son de las más pobladas del planeta. La zona más lejana estaba a menos de 1 900 kilómetros de distancia y la forma de V invertida ponía al alcance de la onda más de 5 mil kilómetros de costas. De acuerdo a los registros de satélite, la onda del tsunami alcanzó las costas de la India, Bengala Occidental y Birmania, en menos de tres horas, rebotó en las costas como si el golfo fuera una piscina de forma triangular, de tal forma que, una hora con quince minutos después, la onda reflejada viajaba desde las costas de la India hacia las de Birmania.




Imágenes originales provenientes del satélite Jason-1 pueden ser encontradas en el siguiente sitio:



Detección de los tsunamis.
Los intentos por detectar tsunamis a partir de fuertes deslizamientos de tierra en el fondo del océano resultó muy complicado porque los modelos matemáticos existentes requerían cálculos muy complejos y tardados. Por esa razón, en la actualidad se considera que es más promisoria la técnica de altimetría basada en satélites. Este método se utilizó exitosamente en el monitoreo del tsunami del Océano Índico, pero no había disponible un sistema de alerta apropiado que informara a la población. Se trató del uso del satélite Jason-1, que cumplía funciones de análisis de la topografía de la superficie del agua en el Oceáno Pacífico para la obtención de datos de interés meteorológico. El satélite estaba diseñado para operar durante tres años pero funcionó durante once, perdiéndose contacto con éste el 21 de junio de 2013.

Tratamiento estadístico de datos sobre tsunamis.
En el año 2002 fueron publicados resultados muy novedosos con base en los datos adquiridos acerca de los tsunamis. El análisis estadístico muestra una periodicidad interesante en su aparición. Presentan una periodo de seis años. Esta es la misma periodicidad que ocurre en el sistema astronómico Tierra-Luna-Sol, de modo que el origen podría estar notablemente influido por fuertes perturbaciones causadas por el movimiento relativo de estos tres astros.

Varias ramas de la física se unen aquí: la mecánica celeste, la mecánica del medio contínuo, el análisis de datos por medio de la teoría de Fourier aplicada a los procesos estocásticos y el desarrollo moderno del cómputo con el estudio de los datos provenientes de las mediciones hechas desde satélites.


Todos los contenidos presentados en esta contribución al blog provienen de fuentes científicas que he guardado para mi. La razón de esta cautela es que en un medio donde las universidades no cuidan el trabajo original de sus investigadores y permiten el plagio. Y donde los medios de comunicación locales encumbran a los plagiarios como grandes personalidades, no vale la pena hacerle a otros la tarea.

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