EQUIPOS E INSTRUMENTOS OCEANOGRÁFICOS La Oceanografía es una ciencia experimental que requiere de observaciones y mediciones precisas para lograr sus objetivos. Aun cuando hace uso de la experiencia de campos de la ciencia relacionadas y utiliza los logros en las áreas de la tecnología e ingeniería, el medio ambiente oceánico impone requerimientos únicos en la instrumentación, requerimientos que no son satisfechos fácilmente por los equipos de laboratorio convencionales. Como consecuencia, el desarrollo y fabricación de instrumentación oceanográfica es ahora una actividad especializada. espec ializada. Describir, identificar y reconocer tanto con los instrumentos clásicos convencionales como los más modernos usados en la Oceanografía es el principal objetivo.
I.
PLATAFORMA Todas las mediciones en el mar requieren de una plataforma relativamente estable para transportar la instrumentación que se requiere. La plataforma puede estar en la superficie o el fondo del mar, en el interior del océano o en el espacio. La elección de la plataforma adecuada depende de sus capacidades para obtener, en espacio y tiempo, la información requerida.
Barcos de investigación Los buques son utilizados principalmente para estudios cuasisinópticos de gran escala de d e las propiedades del océano y para estudio de procesos específicos (tales como mezcla a través de frentes, determinación del balance de calor de pequeñas regiones del océano, etc.). El tamaño mínimo del buque está definido por el estado del mar, las condiciones meteorológicas y la necesidad de acomodar un equipo científico, También los buques oceanográficos deben cumplir con el requerimiento de poder navegar con mal tiempo. Para aumentar la autonomía (el número de días que un barco puede permanecer en el mar antes de agotar el combustible), los barcos de investigación funcionan a velocidades de tránsito moderadas de 10 - 12 nudos (18 - 28 km/h). La mayoría de los barcos de investigación tienen una autonomía de 20 - 25 días, lo cual les da un rango de 6000 - 8000 millas náuticas (11,000 - 14,800 km), suficientes para operar en alta mar a días de distancia de tierra firme. Bajar equipo sobre un costado de un buque requiere más que empuje nulo. Sin un control activo de la posición, el barco puede derivar con el viento hacia el cable del instrumento. Para mantener el cable vertical y libre del casco del buque, el buque tiene que contrarrestar los efectos del viento y la corriente. Esto se logra comúnmente mediante un par de propelas adicionales, una sobrebabor y otra sobre estribor, las cuales pueden empujar el buque hacia los lados.
Los requerimientos mínimos de laboratorios consisten de un laboratorio húmedo para el manejo de muestras de agua, un laboratorio de cómputo para el procesamiento de datos, un laboratorio de electrónica para la preparación de instrumentos y un laboratorio químico para análisis de muestras de agua. Los barcos más grandes, diseñados para investigación multidisciplinaria, tienen laboratorios adicionales de biología, geología y geofísica. La operación de los barcos de investigación es muy cara, de $15.000 a $25.000dólares por día. Durante muchas décadas estos fueron las únicas plataformas disponibles para la colecta de datos en alta mar.
Anclajes Los anclajes son plataformas adecuadas cuando se requieren mediciones en alguna localidad sobre largos períodos de tiempo. El diseño de un anclaje depende de la profundidad del agua y del tipo de instrumentación que será instalado. Los elementos básicos de un anclaje son la cantidad de peso muerto, el cable (o cabo) y uno o más elementos flotantes que mantendrán al anclaje en su posición lo más vertical posible. Los anclajes subsuperficiales se utilizan en aguas profundas cuando la información respecto a la capa superficial no es esencial para el experimento. El elemento principal de flotabilidad se coloca en el extremo superior del anclaje, a algunos 20 - 50 m debajo de la superficie del océano. Esto presenta la ventaja de que el anclaje no es expuesto a la acción del oleaje superficial y está fuera de riesgo de ser dañado por el tráfico de buques o de vandalismo. La figura 13.4 muestra un esquema típico de anclaje en aguas profundas. El
elemento principal de flotabilidad está en la parte superior de la línea. Para proteger el anclaje contra mordidas de peces, se utiliza normalmente cable en los 1000 m superiores de la línea, mientras que más abajo puede utilizarse cabo común y corriente. Para mantener el anclaje cercano a la vertical, todo el sistema debe tener un mínimo de arrastre, lo cual puede lograrse si se utiliza un cable de diámetro pequeño. Esto requiere también que el peso de los instrumentos sea reducido. Para compensar por el peso de la instrumentación se requiere por tanto flotabilidad adicional que se distribuye a lo largo del cable. La flotabilidad se organiza de tal forma que todas las secciones del anclaje tienen flotabilidad positiva. Esto permite recobrar algún anclaje cuya parte superior ha sido dañada. Sobre el fondo en un anclaje profundo, justo encima del peso muerto, se coloca un liberador que se controla remotamente. El liberador puede ser activado desde el buque mediante un código acústico cuando se desea recobrar el anclaje. Disparando el liberador ocasiona que el sistema de anclaje suba a la superficie. El peso muerto, generalmente un bloque de concreto o un conjunto de ruedas de ferrocarril en desuso, se queda en el fondo del mar. Un experimento en donde se desea medir en la capa superficial o la colecta de datos meteorológicos, requiere de un anclaje superficial. El elemento principal que proporciona flotabilidad a tal sistema es una boya de tamaño regular que flota en la superficie y que puede sostener instrumentación meteorológica (Figura 13.5). En el océano profundo, los anclajes superficiales son en su mayoría del tipo "anclajes tensos". En éstos se utiliza sólo cabo para la línea del anclaje y se diseña un poco más corto que la profundidad del agua. Esto ocasiona que la cuerda se estire y se mantenga en tensión para mantener el anclaje cercano a la vertical. El anclaje del tipo "catenaria inversa" también se usa en estas situaciones; este anclaje es un arreglo donde la sección de flotabilidad en la línea se localiza entre dos secciones con flotabilidad neutra lo que ocasiona que el perfil de la línea tenga una forma de S. En esta configuración la longitud de la línea del anclaje no es crítica, y es alrededor de 25% mayor que la profundidad del agua. Los anclajes sobre la plataforma continental, en donde la profundidad del agua no excede los 200 m, no requieren de liberadores acústicos si se utiliza un anclaje en U. Un anclaje en U consiste de un anclaje superficial o subsuperficial que sostiene la instrumentación, una línea o cable sobre el fondo cuya longitud es de alrededor del doble de la profundidad del agua, y un segundo anclaje con una pequeña boya
de marcación (Figura 13.6). Cuando es tiempo de recuperar el anclaje, se recupera primero la boya marcadora, seguida por los pesos o anclas, y finalmente el anclaje mismo. Los anclajes en U son generalmente "anclajes flojos"; la línea del anclaje es más larga que la profundidad del agua y el anclaje oscila con la corriente.
Fig. 13.5
Fig. 13.4
Fig. 13.6
Satélites El arribo de la tecnología de satélites abrió la posibilidad de medir algunas propiedades y cantidades dinámicas desde el espacio. La ventaja de este método es la cobertura casi sinóptica del total de los océanos y la facilidad de acceder regiones remotas del océano. Los satélites se han convertido por tanto en herramientas indispensables para el estudio del clima. La principal restricción del método es que
los satélites pueden sólo observar la superficie del océano y por tanto sólo dan in formación limita acerca del interior del océano. La mayoría de los satélites reciben el nombre de los sensores que transportan. De manera formal, sin embargo, los satélites y sus sensores son dos cosas diferentes; el satélite es una plataforma y los sensores son instrumentos. Como plataformas, los satélites caen en tres grupos. La mayoría de los satélites siguen órbitas inclinadas: Las órbitas elípticas están inclinadas respecto al ecuador. El grado de inclinación determina la distancia desde el ecuador que un satélite puede ver la Tierra. Las inclinaciones típicas son cercanas a 60°, de tal forma que el satélite cubre una región de 60°N a 60°S. Los satélites cubren esta región frecuentemente, completando una órbita alrededor de la Tierra en cerca de 50 minutos. Algunos satélites tienen una inclinación cercana (o exactamente) a 90° y por tanto pueden ver ambos polos; su trayectoria es en órbitas polares. La altura típica de los satélites en órbitas polares o inclinadas es de 800 km. El tercero y último grupo son los satélites geoestacionarios. Estos satélites orbitan la Tierra a la misma velocidad con la que la Tierra rota alrededor de su eje y son por tanto, estacionarios con respecto a la Tierra. Esta situación sólo es posible si el satélite está sobre el ecuador a una altura de 35.800 km, distancia mucho mayor que la de los otros satélites. Los satélites geoestacionarios por consiguiente, no pueden ver los polos.
Sumergibles Se pueden distinguir tres tipos básicos: Sumergibles tripulados se usan en geología marina para la exploración
del fondo del lecho marino y ocasionalmente en biología marina para estudiar los ecosistemas del lecho marino. Estos no representan una herramienta para la oceanografía física. Sumergibles controlados remotamente se usan comúnmente en
ultramar por la industria petrolera y de gas, y para recuperar registradores de vuelos de aviones que caen al océano. En el campo de la ciencia, encuentran usos similares al de los sumergibles tripulados, sin embargo de nuevo no representan una herramienta para la oceanografía física.
Sumergibles autónomos son vehículos auto-impulsados que pueden
programarse para seguir un camino predeterminado bajo en agua. Tales vehículos poseen un gran potencial para la oceanografía física. Algunas importantes instituciones de investigación oceanográficas desarrollan vehículos para llevar instrumentación como un CTD y examinar un área del océano mediante repetidas inmersiones y emersiones a lo largo de rutas de un lado a otro de la región oceánica y transmitiendo los datos recopilados vía satélite cuando está en la superficie. Los sumergibles no son una plataforma de trabajo frecuentemente usada en oceanografía física, sin embargo esto es probable que cambie en los próximos años. S in embargo, pasará algún tiempo antes que estos vehículos se popularicen. A la larga, los sumergibles autónomos reducirán, en gran medida, el requerimiento de buques de investigación para la vigilancia del océano.
Vehículos remolcados Se usan desde los buques de investigación para estudiar los procesos oceánicos que requieran alta resolución espacial tales como la mezcla en los frentes y los procesos en el sumamente variable océano superior. La mayoría de los sistemas consisten de un cuerpo sumergido de forma hidrodinámica, un cable de arrastre electro-mecánico (a menudo multi-conductor) y un winche o malacate.
El cuerpo sumergido se ajusta con un par de extensiones en forma de aleta, las cuales controlan su vuelo dentro del agua. Además del paquete de sensores (comúnmente un CTD, de vez en cuando sensores para mediciones químicas) este lleva sensores de presión, inclinación y balanceo que vigilan su comportamiento y controlan su vuelo debajo de la superficie. Los datos se envían al sistema computacional a bordo del barco mediante el cable conductor. El mismo cable se usa para enviar instrucciones al cuerpo sumergido a fin de alterar su ángulo de ataque.
Flotadores y boyas de deriva La característica principal de los flotadores y las boyas de deriva es que se mueven libremente con la corriente del océano, de manera que sus posiciones en cualquier momento solamente se pueden controlar de manera muy limitada. Estas plataformas se utilizan principalmente en regiones alejadas tales como el Océano Austral o del Sur y en las partes centrales de las grandes cuencas oceánicas a las que se llega raramente por los buques de investigación y donde es difícil y costoso colocar un anclaje. En sentido estricto, un flotador es un término genérico para cualquier cosa que no se hunde al lecho marino. Una boya de deriva, por otra parte, es una plataforma diseñada para moverse con la corriente oceánica al incorporar un dispositivo de flotación o flotador.
Boyas de deriva superficiales, tienen un flotador en la superficie y pueden por lo tanto
transmitir datos vía satélite. Si se las diseña para recoger la información de la superficie del océano, estas van con instrumentos meteorológicos ubicados encima del flotador y un sensor de temperatura, y ocasionalmente un sensor de salinidad debajo del flotador. El rango de profundidad de las boyas superficiales generalmente se limita a menos de 100 m. Boyas de deriva subsuperficiales, se diseñan de tal manera que para una profundidad dada, tengan flotabilidad neutra. Estas boyas se han utilizado para seguir corrientes oceánicas a distintas profundidades, que van desde algunos cientos de metros hasta profundidades por debajo de 1000 m. Los primeros de tales flotadores transmitían sus datos acústicamente a través del océano a las estaciones costeras de recepción. Debido a que el sonido viaja bien en la profundidad del mínimo de la velocidad sónica (el canal del sonido o SOFAR, el cual se encuentra a unos 1000 m de profundidad), estos flotadores tipo SOFAR se pueden utilizar solamente en profundidades cercanas a los 1000 m. Los flotadores subsuperficiales modernos permanecen hundidos por varias semanas y vienen brevemente a la superficie para transmitir sus datos a un satélite para luego regresar a su profundidad asignada. Por lo tanto, estos flotadores se pueden programar para estudiar cualquier profundidad y pueden también medir datos de temperatura y salinidad (CTD) durante su ascenso a la superficie. El arsenal más completo de tales flotadores, conocido como Argo, comenzó en el año 2000. Los flotadores Argo miden la temperatura y salinidad por encima de los 2000 m del. Esto permitirá un continuo monitoreo del estado del clima oceánico, con todos los datos que son retransmitidos y disponibles al público horas después de la colección. Cuando el programa Argo esté completamente operativo, en cualquier momento habrán unos 3000 flotadores en los océano del mundo.
Medición de propiedades (temperatura, salinidad, oxígeno, nutrientes, trazadores)
oceanográficas
A continuación se da una descripción de sensores y de los paquetes de instrumentos para la medición de temperatura, salinidad, oxígeno, nutrientes y de los trazadores
Termómetros reversibles El primer instrumento que alcanzó la exactitud requerida de 0,001°C fue el termómetro reversible. Este termómetro consiste en un tubo de vidrio llenado con mercurio con una espiral de 360°. El conducto se restringe a la anchura capilar en la bobina, donde tiene un apéndice capilar. A medida que el termómetro desciende, el mercurio de un depósito en el fondo se eleva en proporción a la temperatura exterior. Cuando se alcanza la profundidad deseada el termómetro se invierte 180° con la finalidad de interrumpir el flujo de mercurio en el apéndice capilar, y solamente el mercurio que estaba sobre el punto de desempate se recoge en la parte más inferior del tubo de cristal. Esta parte lleva una graduación calibrada que permite que la temperatura se lea cuando el termómetro está de vuelta en la superficie. Para eliminar el efecto de la presión, que comprime el tubo y hace que más mercurio se eleve sobre el punto de desempate durante el descenso del instrumento, el termómetro se encierra en una cubierta de cristal resistente a la presión. Para corregir los efectos de presión, este "termómetro reversible protegido" se utiliza conjuntamente con un "termómetro reversible no-protegido " (un termómetro expuesto al efecto de la presión). La diferencia entre las dos lecturas de temperatura se puede utilizar para determinar la presión y así la profundidad en las cuales las lecturas fueron tomadas. El termómetro reversible es también, por tanto, un instrumento para medir la profundidad. Los termómetros reversibles requieren un buque de investigación como plataforma y se utilizan conjuntamente con las botellas Nansen o Niskin, o sobre los dispositivos de medición de muestras múltiples.
Botellas Nansen y Niskin
Son botellas para muestrear aguas tomadas a varias profundidades con el fin de medir la salinidad, oxígeno, nutrientes y las concentraciones de trazadores. La primera botella de este tipo fue desarrollada por Fritjof Nansen y se conoce como la botella Nansen. Consiste en un cilindro de metal con dos mecanismos de cierre que rotan en ambos extremos. La botella va unida a un cable. Cuando la botella se baja a la profundidad deseada está va abierta en ambos extremos, así que el agua entra y sale libremente. En la profundidad donde va a ser tomada la muestra de agua, el extremo superior de la botella se suelta del cable y la botella se invierte por su propio peso. Esto cierra las válvulas de los extremos y atrapa la muestra de agua, que se lleva entonces hacia la superficie.
Las botellas Nansen han sido desplazadas por las botellas Niskin. Basadas en las ideas de Nansen, las botellas Niskin incorporan dos modificaciones importantes. El cilindro se fabrica de plástico lo cual elimina la reacción química entre la botella y la muestra que podría interferir con la medición de substancias trazas. Su mecanismo de cierre no requiere más hacer girar la botella; las válvulas o tapas superior e inferior son mantenidas abiertas por cordones (usualmente de nylon) y cerradas por una venda elástica que corre por dentro de la botella. Puesto que la botella Niskin es fija en el alambre en dos puntos en vez de uno (como es el caso de la botella Nansen) esto hace más fácil aumentar su volumen de muestra. Las botellas Niskin de diversos tamaños se utilizan para la toma de muestras de varios trazadores. Las botellas Nansen y Niskin se utilizan con termómetros reversibles. En la botella Nansen, los termómetros se montan en un marco fijo y la rotación de 180° se logra invirtiendo la botella. En las botellas Niskin, los termómetros se montan sobre un marco rotatorio que se acciona al cierre de las válvulas superior e inferior.
CTDs En la actualidad, el instrumento estándar que se utiliza para medir la temperatura, salinidad y a menudo también el contenido en oxígeno disuelto es el CTD (Por sus siglas en inglés: Conductivity Temperature and Depth -conductividad, temperatura y profundidad-). Cada uno de los sensores del CTD emplea el principio de la medida
eléctrica. Un termómetro de platino cambia su resistencia eléctrica con la temperatura. Si se incorpora un oscilador eléctrico, un cambio en su resistencia produce un cambio de la frecuencia del oscilador, que puede ser medido. La conductividad del agua de mar se puede medir de una manera similar como el cambio de la frecuencia de un segundo oscilador, y un cambio en la presión produce un cambio de la frecuencia en un tercer oscilador. La señal combinada se envía hacia arriba a través del cable conductor, mediante el cual se baja el CTD. Esto produce lecturas continuas de temperatura y conductividad en función de la profundidad a una razón de hasta 30 lecturas por segundo, una extensa mejora por encima de los 12 puntos de referencias que se producen mediante las 12 botellas Nansen o Niskin que usualmente se podrían utilizar en un solo lance vertical.
Los circuitos eléctricos permiten la medición en rápida sucesión, pero sufren de "deriva instrumental" lo que significa que sus calibraciones cambian con el tiempo. Los sistemas de CTD por lo tanto tienen que ser calibrados comparando sus lecturas regularmente contra instrumentos más estables. Por lo tanto se utilizan siempre conjuntamente con termómetros reversibles y un dispositivo de muestreo de agua múltiple.
Dispositivos de muestreo de agua múltiple Los dispositivos de muestreo de agua múltiple permiten el uso de las botellas Niskin sobre el cable eléctricamente conductor. Diversos fabricantes tienen diversos nombres para sus productos, tal como roseta o carrusel. En todos los productos las botellas Niskin se organizan en un marco de forma circular, con un CTD montado generalmente por debajo o en el centro. La ventaja de los dispositivos multi-muestras sobre el uso del cable hidrográfico con mensajeros, es que las botellas de agua se pueden cerrar remotamente desde la cubierta. Esto
significa que las profundidades de muestreo no tienen que fijarse a priori antes que las botellas sean bajadas. A medida que se baja el sistema y se reciben los datos desde el CTD, el operador puede buscar capas de interés particular y tomar muestras de agua en los niveles de profundidad más interesantes.
Termosalinógrafos La introducción del CTD abrió la posibilidad de tomar lecturas continuas de temperatura y de salinidad en la superficie. El agua de flujo continuo que entra al sistema de enfriamiento de los motores del barco, se bombea directo a un tanque en el cual se han instalados sensores de temperatura y de conductividad.
Sensores remotos La mayoría de las medidas oceanográficas desde el espacio o desde aviones se basan en el uso de los radiómetros, estos son instrumentos que miden la energía electromagnética que irradia una superficie. Esta radiación toma lugar sobre un amplio rango de longitudes de onda, incluyendo la emisión de luz en el rango visible, de calor en el rango infrarrojo, y a longitudes de onda más cortas, tales como las emitidas por Radares y rayos-X. La mayoría de los radiómetros oceanográficos funcionan en varias bandas de longitudes de onda. Una discusión detallada de todas las aplicaciones de sensores remotos va más allá del alcance de estas notas de clase, de manera que solamente los sistemas más básicos se mencionan aquí. Los radiómetros que operan en el infrarrojo se usan para medir la temperatura de la
superficie del mar. La resolución con la que miden la temperatura de la superficie ha aumentado constantemente a lo largo de los años; el sensor AVHRR (Por sus siglas en inglés: Advanced Very High Resolution Radiometer -Radiómetro Avanzado de muy Alta Resolución-) tiene una resolución que es cercana a 0,2°C. Los Radiómetros multi-espectrales miden en varias bandas de longitud de onda. Al
comparar la señal de la radiación recibida en diversas longitudes de onda es posible medir la cobertura espacial y la edad del hielo, el contenido de clorofila, la carga de sedimento, la materia particulada y otras cantidades de interés a la biología marina.
Las mediciones a las longitudes de onda del radar se hacen con un instrumento conocido como SAR (Por sus siglas en inglés: Synthetic Aperture Radar -Radar de Apertura Sintética-). Este se puede utilizar para detectar las expresiones superficiales de las ondas internas, el efecto de la lluvia sobre las olas superficiales, el efecto de la topografía del fondo marino sobre las corrientes y olas, y una gama amplia de otros fenómenos.
Medición de propiedades dinámicas (Corrientes, olas, nivel del mar, procesos de mezcla) Instrumentos diseñados para medir el movimiento en el océano.
Correntímetros Las corrientes oceánicas se pueden medir de dos maneras. Un instrumento puede registrar la rapidez y la dirección de la corriente, o puede registrar los componentes este-oeste y norte-sur de la corriente. Ambos métodos requieren la información direccional. Todos los correntímetros por lo tanto incorporan un compás magnético para determinar la orientación del instrumento con respecto al norte magnético. Basados en el método usado para medir la intensidad de la corriente, se pueden distinguir cuatro clases de correntímetros. Los correntímetros mecánicos usan un dispositivo tipo propela, un rotor Savonius o un
rotor de rueda de paletas para medir la rapidez de la corriente y una paleta en vertical más grande para determinar la dirección de la corriente. La ventaja del rotor Savonius es que su velocidad de rotación es independiente de la dirección de incidencia de la corriente. Un correntímetro con rotor de tipo Savonius, por lo tanto, no tiene que estar orientado en la dirección incidente de la corriente, y su
paleta puede rotar independientemente y ser bastante pequeña; sólo se requiere de un tamaño justo para medir la dirección de la corriente de manera confiable. Los correntímetros mecánicos son robustos, confiables y comparativamente de bajo costo. Es por esto que se utilizan extensamente donde las condiciones son apropiadas, por ejemplo en las profundidades fuera del alcance de las olas superficiales. Los correntímetros electromagnéticos utilizan el principio de que un conductor eléctrico
que se mueve a través de un campo magnético induce una corriente eléctrica. El agua de mar es un conductor muy bueno y cuando se mueve entre dos electrodos, la corriente eléctrica inducida es proporcional a la rapidez de la corriente oceánica entre los electrodos. Un correntímetro electromagnético tiene una bobina para producir un campo magnético y dos sistemas de electrodos, colocados en ángulo recto el uno del otro. Combinando la rapidez medida por los dos sistemas, el instrumento determina la rapidez y dirección de la corriente oceánica. Los correntímetros acústicos se basan en el principio de que el sonido es una onda de
compresión que viaja con el medio. Suponga un arreglo de dos receptores con un transmisor sónico en el centro. Si se diseña de tal manera que un receptor A esté localizado aguas arriba del transmisor, y un receptor B aguas abajo, entonces en una señal acústica que se genera en el transmisor, la corriente oceánica causará que la señal llegue primero al receptor B antes que al receptor A. -Un correntímetro acústico típico transmite a traves de distancias aproximadas de 100 m m en trayectorias ortogonales, con un receptor/transmisor en cada extremo. Un pulso sónico de alta frecuencia se transmite simultáneamente desde cada transductor y la diferencia en el tiempo de llegada del sonido que viaja en direcciones opuestas determina la velocidad del agua a lo largo de la trayectoria. -Los correntímetros electromagnéticos y acústicos no tienen ninguna pieza móvil y pueden por lo tanto tomar medidas a una razón de muestreo muy alta (hasta diez lecturas por segundo). Esto los hace útiles no solamente para la medición de las corrientes oceánicas, sino también para las mediciones de corrientes y turbulencia inducidas por el oleaje. Los Perfiladores Acústicos de Corrientes Doppler (Por sus siglas en inglés ADCPs;
Acoustic Doppler Current Profilers) operan bajo el mismo principio que los correntímetros acústicos, pero tienen el transmisor y el receptor en una unidad. Para la medición usan las reflexiones de las ondas acústicas desde las partículas presentes en el agua.
El agua de mar contiene una multiplicidad de pequeñas partículas suspendidas y otra materia sólida que no podrían ser visibles al ojo humano pero que sin embargo, siempre reflejan el sonido. Si el sonido se transmite en cuatro rayos inclinados en ángulo recto el uno del otro, el corrimiento Doppler en la frecuencia del sonido reflejado respecto al transmitido, permite conocer la velocidad de la partícula en la dirección del rayo emitido (velocidad radial). Se requieren por lo menos 3 rayos inclinados en la vertical para determinar las 3 componentes de la velocidad del flujo. Los diferentes tiempos de llegada indican que el sonido es reflejado desde diferentes distancias respecto a los transductores, así que un ADCP proporciona la información no sólo sobre la rapidez de la corriente y su dirección en un punto del océano, sino en todo un rango de profundidad; es decir un ADCP produce un perfil de corriente contra profundidad.
Mediciones de Oleaje Los parámetros de interés en la medición del oleaje superficial son la altura de la ola, el período y su dirección. Cerca de la costa, la altura de ola y el período se pueden medir usando el principio del mareógrafo de flotador, descrito en la sección de mareógrafos más adelante, con una abertura copleta lo suficientemente grande como para dejar pasar las olas superficiales sin estorbo. Las mediciones del oleaje sobre la plataforma, pero a cierta distancia de la orilla se pueden obtener a partir de un medidor de presión (manómetro). Un instrumento apropiado para todas las localidades, incluyendo el océano abierto es el olígrafo de superficie (wave rider), una pequeña boya superficial en un anclaje que sigue el movimiento de la ola. Un acelerómetro vertical construido dentro del olígrafo mide la aceleración de la boya generada por las olas. Los datos se almacenan internamente para posterior recuperación o se transmiten a la costa. Este tipo de olígrafos proporcionan la información sobre la altura y período de la ola. Si se los acondiciona con un sistema de 3 acelerómetros ortogonales es posible también medir la dirección de las olas.
Mareógrafos Las mareas son ondas largas de período conocido, así que las principales características de interés para su observación son: la altura de la onda, o rango de marea, y la corriente inducida por la marea. Esta última se mide con los correntímetros; cualquier tipo de instrumento de los descritos anteriormente, se puede utilizar para tal fin. Para medir el rango de marea se utilizan dos tipos de mareógrafos. El mareógrafo de flotador consiste de un cilindro con una conección al mar en la base. Esta conección actúa como un filtro paso bajo. El orificio es tan reducido que el movimiento hacia adelante y atrás del agua asociado al oleaje inducido por el viento y otras ondas de períodos cortos no puede pasar a través de él; solamente el cambio lento del nivel del agua asociado a la marea puede entrar en el pozo. Este cambio del nivel del agua es recogido por un flotador y registrado
Los mareógrafos de flotador permiten la lectura directa del nivel del agua en todo momento, pero requieren una instalación algo laboriosa y son poco prácticos lejos de la orilla. En localidades remotas y lejos de la costa es a menudo más fácil usar un mareógrafo de presión. Tal instrumento se coloca sobre el lecho marino y mide la presión de la columna de agua sobre él, la cual es proporcional a la altura de agua encima del sensor. Los datos se registran y almacenan internamente y no son accesibles hasta tanto se recupere el mareógrafo. Los registros de mareas se utilizan con mayor frecuencia para analizar los posibles cambios a largo plazo en el nivel del mar asociados a la variabilidad climática y al cambio del tiempo. La rapidez prevista del cambio del nivel del mar es, a lo sumo, de algunos milímetros por año, de manera que se requiere de una precisión muy alta para verificar tales cambios. La mayoría de los mareógrafos no son convenientes para tal tarea, por muchas razones. Por ejemplo, una tendencia a largo plazo en el nivel del mar se puede producir también por una subida o un descenso del terreno en la cual se ha construido e instalado el mareógrafo (Esto se conoce como deriva del estándar de comparación).
Sensores remotos
El nivel del mar también se puede medir desde los satélites. Un altímetro mide la distancia entre el satélite y la superficie del mar. Si la posición del satélite se conoce exactamente esto resulta en una medición del nivel del mar. Los altímetros modernos han alcanzado una precisión mejor de 5 cm. La cobertura global proporcionada por los satélites permite la verificación de los modelos globales de marea. Cuando se sustrae las mareas, las observaciones aportan información sobre la forma de la superficie del mar y, con el uso del principio de geostrofía, sobre la circulación oceánica a gran escala.
Sensores de cizallamiento Esta descripción extremadamente breve de las técnicas oceanográficas de medición, puede cubrir solamente lo esencial de las plataformas e instrumentos más importantes. Existen equipos especiales, y nuevos equipos especializados se diseñan diariamente, para abordar problemas específicos. El sensor de cizallamiento puede servir como ejemplo. Está diseñado para estudiar la turbulencia oceánica en pequeña escala (centímetros). La turbulencia está caracterizada por corrientes que varían en cortas distancias y cortos intervalos de tiempo, así que un instrumento diseñado para medir la turbulencia tiene que ser capaz de resolver las diferencias en rapidez y dirección de la corriente sobre una distancia vertical de no más de un metro. Uno de tales sensores de cizallamiento lo constituye un instrumento cilíndrico de menos de 1 m de longitud con dos correntímetros electromagnéticos o acústicos, uno en cada extremo. Al medir la rapidez y dirección de la corriente en dos puntos a menos de 1 m de separación se permite la determinación del cizallamiento de la corriente por sobre esa distancia. Para permitir una medida confiable no influenciada por el movimiento de levantamiento del buque, el instrumento cae lenta y libremente a través del océano. Su profundidad máxima de inmersión se programa antes del experimento, y la sonda regresa a la superficie cuando se alcanza esa profundidad. Entonces es recogida por el buque, y se recuperan los datos registrados internamente. Otro tipo de instrumento de caída libre utiliza sensores de micro estructura que miden las fluctuaciones de la velocidad en una escala espacial de cerca de 10 mm. Estos usan una barra piezoeléctrica que genera pequeños voltajes a medida que la velocidad turbulenta varía la resistencia, y por tanto la flexión de una aleta aerodinámica, a medida que éste se mueve a través del agua.
