Determinación del nivel medio del mar en el mar de Bransfield y aplicación a la determinación del geoide en las Islas Decepción y Livingston (Antártida)

Resumen

Las Islas Shetland del Sur al ser parte de la Antártida, es una zona geográfica extrema y con un entorno muy complejo para realizar levantamientos de campo y toma de datos en el terreno; por esta razón, las observaciones "in situ" de datos geodésicos, geofísicos, oceanográficos y específicamente los datos de marea son escasos, en general los datos disponibles son series temporales muy cortas que normalmente corresponden a algunos días del verano austral (noviembre a marzo). Los datos de marea obtenidos por métodos directos y con series temporales de más de un año, constituyen una fuente muy valiosa de información para diferentes aplicaciones de ciencias e ingeniería, que hacen uso del nivel medio del mar como plano de referencia vertical. Con este objetivo, en el año 2007 se instalaron las primeras estaciones de marea en las islas Livingston y Decepción, denominadas LIVMAR y DECMAR, respectivamente. En cada una de las estaciones se obtuvieron registros de marea de más de dos años de duración. Los datos fueron obtenidos mediante sensores de presión modelo Aqualogger TP520, además de otros sensores modelo TD304 SAIV fondeados como mareógrafos de control. Además del valor de la presión, los sensores obtuvieron datos adicionales de temperatura y salinidad del agua de mar. Los sensores se instalaron muy cerca de la costa pero a una profundidad suficiente, y siempre superior a los 4 metros, de manera que no estuviesen afectados por el hielo marino que se forma entre los meses de abril a diciembre, y para minimizar los errores de georreferenciación con respecto a las marcas geodésicas de control altimétrico de mareas, que se encuentran en tierra. También, se obtuvieron datos adicionales de presión atmosférica y dirección y velocidad del viento simultáneamente con los registros de marea. Estos datos fueron utilizados para la corrección de la marea por efectos meteorológicos, y realizar posteriormente una correlación del nivel del mar con las variables meteorológicas y oceanográficas. Para la obtención de estos datos se han utilizado las estaciones meteorológicas establecidas por al AEmet (Agencia Estatal de Meteorología) instaladas en las islas Livingston y Decepción. Un problema muy importante en los trabajos de marea realizados anteriormente en la zona, es la falta de registros de marea referenciados altimétricamente a puntos de referencia vertical permanentes. Por esta razón, uno de los primeros trabajos de campo fue la monumentación de los puntos geodésicos en tierra para el control de los mareógrafos (TGBM) y de las marcas auxiliares de referencia de nivel (TGAR). Los TGBM y TGAR han sido utilizados para la referenciación de los datos de marea, como puntos principales de referencia en tierra y están vinculados a los vértices geodésicos GPS de la red RGAE (Red Geodésica Antártica Española) o a la red REGID (REd Geodésica de Isla Decepción) y a partir de estos a la redes RENID (REd de Nivelación de Isla Decepción) y REGRID (REd GRavimétrica de Isla Decepción). Los TGBM y TGAR quedaron establecidos como datums o marcas geodésicas de referencia fundamentales, tanto para la referencia vertical como horizontal de las estaciones mareográficas y además han sido las referencias altimétricas fundamentales para la determinación del nivel medio del mar en la zona. Uno de los objetivos principales de esta Tesis Doctoral ha sido la adquisición, estudio y tratamiento de datos de marea de al menos un año de duración, a fin de presentar un estudio detallado de las constituyentes de marea en las islas Livingston y Decepción (Antártida), y a partir del mismo, establecer un valor preciso del nivel medio del mar en estas islas y su entorno en el mar de Bransfield. Los cálculos de las constantes armónicas se realizaron a partir de series obtenidas, contando con 798 días de observación con datos tomados en frecuencia horaria. Para obtener las amplitudes y retardos de fase de las componentes de marea más representativas o de mayor energía, se aplicó el método de análisis armónico por mínimos cuadrados (Foreman 1977). Los resultados mejoran trabajos previos en la región, habiéndose obtenido 70 constituyentes de marea en ambas estaciones, de las cuales las 19 primeras son las más representativas, con amplitudes superiores a 1 cm y con un aporte del 93% de la energía total de la onda. En ambas estaciones se confirma que la marea tiene un régimen mixto de comportamiento semidiurno. Una vez determinado el nivel medio del mar en cada una de las estaciones, a partir de este nuevo dato, se obtuvieron las alturas ortométricas que fueron calculadas utilizando la altura elipsoidal, adquirida directamente mediante observaciones GPS, y de las diferencias de nivel obtenidas por nivelación geométrica y corregida por medidas de gravedad. Con las alturas ortométricas obtenidas, se corrigieron y actualizaron los valores de las coordenadas geodésicas en los vértices y marcas geodésicas de las redes utilizadas, obteniendo valores más precisos y referidos al nivel medio del mar (MSL) calculado en este trabajo. Con este nuevo marco de referencia geodésico, hemos calculado y determinado un modelo local de geoide de precisión para Isla Decepción denominado GeoiDEC14, utilizando la metodología GPS/nivelación/gravimetría y cuyo resultado muestra una mejora en precisión respecto a los modelos globales y al modelo experimental obtenido el 2007. Para comprobar la validez de nuestro modelo, hemos realizado una comparación del GeoiDEC14 frente a los modelos globales vigentes y con cobertura en nuestra área de estudio, tales como los modelos EGM96, EGM2008, GRACE03 y GRACE2014. Los resultados de la comparación siempre muestran valores negativos, puesto que el valor promedio es de 18,8 m para nuestro modelo GeoiDEC14, frente a los valores promedio de entre 19,8 a 20,6 m para los modelos globales. Esta diferencia se debe principalmente a la poca resolución de los modelos globales y en menor medida al cambio de densidad en la corteza terrestre en isla Decepción, debido a la actividad volcánica que podría estar vinculada a la presencia de anomalías de la gravedad que influyen en la definición del geoide. También se han determinado tres puntos dotados con ondulación del geoide (N) y coordenadas geodésicas en isla Livingston, que dada su poca cantidad y mala distribución geográfica de los puntos, no permiten la determinación de un geoide en esta isla, pero nos sirven para comprobar la bondad de los resultados obtenidos en isla Decepción, presentando estos valores experimentales un promedio de 18.9 metros, muy similar al promedio obtenido con el GeoiDEC14 para isla Decepción y que además nos reafirman la falta de detalle en los modelos de geoide globales en la zona. Es importante hacer notar la gran importancia de nuestro trabajo para aplicaciones geodésicas, oceanográficas e hidrográficas, además de otras, como estudios de variaciones del nivel medio del mar, calentamiento global y aplicaciones ambientales. Combinar la superficie de nivel medio del mar y un geoide local de precisión nos puede proporcionar resultados muy interesantes para el estudio y análisis de la dinámica volcánica, además de ser una herramienta muy valiosa de apoyo en aplicaciones de oceanografía y geofísica y otras ciencias y técnicas que utilicen el nivel medio del mar como sistema de referencia vertical. La utilización de estos resultados por la comunidad científica permitirá contar con una base de datos referida al mismo plano de referencia, actualizada y precisa, y contribuirá a mejorar los resultados de los diferentes estudios y modelos regionales de la zona que puedan hacer uso de esta información.