Medición del océano hostil debajo de los huracanes

Fig.1: Un planeador Slocum de Teledyne Webb Research, en camino al despliegue. Crédito: Universidad de Rutgers.

Fig.3: Planeador de Teledyne Slocum para monitoreo de tormentas. Crédito: Teledyne Marine

Fig. 5: Tres líneas de piquete de planeadores del huracán Sentinel estaban trabajando el mismo día en 2018. Crédito: Teledyne Marine

Fig.6: Teledyne Webb Research EM-APEX float. Crédito: Teledyne Marine

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Vehículos no tripulados recopilan datos para mejorar los pronósticos de tormentas

Las influencias de las condiciones oceánicas y las corrientes en los ambientes vivos ahora son más apreciadas, desde el clima de la Tierra y las condiciones climáticas severas hasta la pesca y la biodiversidad. Se necesitan mediciones sostenidas y generalizadas para proporcionar pistas esenciales para comprender los océanos, para el monitoreo efectivo de los cambios ambientales y para ayudar a aclarar los efectos a largo plazo del calentamiento global.

Para enfrentar este desafío, los investigadores oceánicos han inventado varios tipos de plataformas de observación no tripuladas. Dos variantes desarrolladas y suministradas por Teledyne Webb Research son planeadores para medir las aguas del océano superior y perfiles de flotadores para observar la circulación global. Estas plataformas, que admiten una gama cada vez mayor de aplicaciones, han sido especialmente valiosas para medir las aguas desafiantes bajo tormentas severas.

Medición de las condiciones del océano en pistas de tormenta
La preocupación global por el clima cambiante de la Tierra ha llevado las tendencias de calentamiento en la atmósfera y el océano a la atención pública. Las tormentas han estado en el centro de atención, especialmente huracanes y tifones. Predecir con precisión el aterrizaje y la fuerza de una tormenta salva vidas y reduce los gastos defensivos innecesarios.

La energía que alimenta las tormentas tropicales proviene del calor en los 50 m superiores del océano, específicamente aguas más cálidas que 79 ° F. Los investigadores han identificado que el pronóstico mejorado de la intensidad de una tormenta tropical, el indicador de su impacto devastador, proviene de saber con precisión sobre las temperaturas del agua subterránea a lo largo del camino de la tormenta. La temperatura del agua subyacente no es estática. Más bien, la acción de la tormenta en el océano arrastra agua más profunda hacia las capas superficiales, cambiando así el suministro de energía disponible. Esta mezcla puede actuar para intensificar o disminuir la tormenta dependiendo de la temperatura del agua agitada. Por lo tanto, conocer las temperaturas submarinas es información crucial para el pronóstico de tormentas. Además, conocer las corrientes y su cizalladura en las diferentes fases de una tormenta proporciona una mayor comprensión de la dinámica de las interacciones aire / mar.

Teledyne Webb Research fueron pioneros de la tecnología de planeadores submarinos no tripulados. Los planeadores Slocum avanzaron rápidamente desde prototipos experimentales hasta plataformas móviles confiables que han operado en todo el mundo en diversas actividades en el océano superior.

Fig.2: Planeador de Teledyne Slocum en aguas tropicales. Crédito: Teledyne Marine

Los planeadores Slocum cambian su volumen para hundirse o elevarse; Las alas unidas producen elevación cuando el fluido pasa sobre sus superficies. El efecto neto es convertir parte del movimiento vertical del planeador en desplazamiento horizontal. Los planeadores Slocum se mueven a 35 cm / sy pueden operar desde 4 ma 1000 m de profundidad; Un propulsor híbrido opcional proporciona velocidades de hasta 100 cm / s.

Los planeadores Slocum vuelan en un patrón ondulado de diente de sierra, siguiendo un transecto programado, a veces durante períodos prolongados. Por ejemplo, los planeadores Slocum han hecho cruces continuos de las principales cuencas oceánicas que han requerido más de cuatrocientos días en el mar.
Con el tiempo, los planeadores Slocum han sido equipados con una creciente variedad de sensores oceanográficos, incluido un perfilador de corriente integrado. Las propiedades físicas como la temperatura del agua y la salinidad se miden de manera rutinaria. Los planeadores también han observado acidez oceánica, clorofila, sedimentos suspendidos y floraciones de algas nocivas, así como olas internas.

Se han integrado más de 45 conjuntos de sensores en los planeadores Slocum, lo que les permite atender una amplia gama de aplicaciones. Durante el derrame de petróleo de Macondo en 2010 en el Golfo de México, los planeadores de Slocum recolectaron datos del subsuelo para apoyar el trabajo de respuesta. Las cargas útiles recientes han incluido sensores de turbulencia para medir la mezcla oceánica, sensores bioacústicos para evaluar las existencias de zooplancton en la Antártida e hidrófonos para el monitoreo casi en tiempo real de las ballenas francas del Atlántico Norte frente a las costas orientales de Estados Unidos y Canadá. Los planeadores de Slocum también cumplen nuevos roles en los sitios de investigación antárticos, especialmente en el borde de las capas de hielo.

Planeadores de Monitoreo de Tormentas
Durante la última década, los planeadores Slocum de Teledyne Webb Research han monitoreado las aguas desafiantes asociadas con tormentas severas, enviando informes incluso mientras se encuentran olas de más de 10 m de altura. Estos vehículos no tripulados proporcionan una forma rentable de tomar mediciones oceánicas sostenidas con alta resolución espacial. Igualmente importante para el monitoreo de tormentas, los planeadores tienen tanto la autoridad de control como la resistencia para interceptar la trayectoria de la tormenta. Para el monitoreo de tormentas, los planeadores Slocum patrullan continuamente un transecto designado. Los planeadores miden la temperatura, la salinidad y otras propiedades mientras descienden y se elevan a través del océano superior. Los planeadores salen a la superficie periódicamente para enviar sus mediciones a los centros de pronóstico de tormentas. Estos datos submarinos se ingresan a modelos de computadora que generan predicciones sobre la intensidad y trayectoria de una tormenta. La precisión de estas predicciones por computadora ha mejorado debido a los datos de los planeadores.

De hecho, la Marina de los EE. UU. A menudo tiene 50 planeadores desplegados en todo el mundo que envían datos para el pronóstico del clima oceánico. Hace diez años, Teledyne recibió el contrato del Programa de Registro de la Marina para el uso operativo de planeadores.

Un ejemplo impresionante del beneficio del uso de planeadores de monitoreo de tormentas proviene de los datos recopilados durante el tifón Soulik en el Pacífico Norte Occidental en 2018. Un planeador Slocum de la Universidad de Rutgers se había desplegado antes de la tormenta. Los datos in situ mostraron un cambio extremadamente rápido en la temperatura del agua del océano superior a la llegada de la tormenta. En comparación, un modelo de pronóstico basado en computadora mostró una transición mucho más lenta en respuesta a la tormenta, lo que condujo a una discrepancia de 6 ° C para el cambio en la temperatura del agua, entre el modelo y los datos recopilados. La actualización del modelo con datos casi en tiempo real permite un mejor pronóstico de tormentas.

Durante una reciente temporada de huracanes en los Estados Unidos, una docena de organizaciones desplegaron planeadores de tormenta. Los planeadores de Slocum de Teledyne Webb Research prevalecieron debido a su rendimiento comprobado. Teniendo en cuenta las previsiones meteorológicas, los investigadores dirigieron los planeadores hacia el camino anticipado de una tormenta con varios días de anticipación. Los transectos de planeadores fueron coordinados y orientados para atravesar el camino de la tormenta, cubriendo la plataforma continental media a externa, a lo largo de gran parte de la costa este de los Estados Unidos.

Fig. 4: Comparación de los datos de temperatura del agua del océano superior en el Pacífico Norte occidental durante el tifón Soulik en 2018. Datos in situ del panel superior observados con un planeador Slocum. Panel inferior: salida de un modelo de computadora. El cuadro resalta la región discutida en el texto. Crédito: Universidad de Rutgers

En la ensenada del Atlántico medio, que se extiende desde Cape Cod, MA hasta Cape Hatteras, NC, la plataforma continental es poco profunda. Sus aguas profundas están bien documentadas para ser mucho más frías que las aguas superficiales durante el verano. Considerando la corriente oceánica debajo del ojo de una tormenta, se puede esperar que la superficie de estas aguas frías debilite un huracán que pasa.

Dos planeadores Slocum, desplegados antes del huracán Sandy, ayudaron a contar una historia diferente en ese caso. Utilizando modelos de computadora y datos de los planeadores, los investigadores de la Universidad de Rutgers determinaron que los fuertes vientos en el borde delantero del huracán establecieron una circulación descendente que hizo que el agua fría del fondo se llevara a alta mar. Por lo tanto, no había agua fría disponible para mezclar con la superficie y, por lo tanto, disminuir la intensidad de la tormenta cuando su ojo pasaba por la misma región; la intensidad de la tormenta fue, de hecho, significativamente más fuerte de lo que se hubiera predicho convencionalmente.

El éxito del uso de planeadores Slocum para el monitoreo de tormentas es evidente por el creciente tamaño de la flota. En 2018, más de treinta planeadores estaban de servicio para observar los huracanes Florence, Isaac y Helene. Las organizaciones de planeadores participantes se unieron del gobierno, la academia y la industria en un esfuerzo de equipo para usar la tecnología para proteger mejor a las comunidades costeras.

Medición del océano cambiante bajo el huracán Michael
La tecnología de perfil de flotación ha transformado la forma en que se observa el océano. Este método fue creado por primera vez por científicos e ingenieros de Teledyne Webb Research y Scripps Institution of Oceanography. El programa internacional Argo ha desplegado flotas de estos dispositivos para la exploración sostenida y generalizada del océano global. Los conjuntos de datos resultantes forman un recurso rico para estudiar los procesos climáticos y oceánicos.

Muchos de estos dispositivos son los flotadores Autonomous Profiling Explorer (APEX) suministrados por Teledyne Webb Research, que ha entregado más de 10,000 flotadores de perfiles al programa Argo, la mayor cantidad de un proveedor. Los flotadores APEX realizan ciclos verticales periódicos, generalmente cada 10 días, al cambiar su volumen (y, por lo tanto, la flotabilidad) para elevarse y hundirse. A medida que ascienden a través de la columna de agua, miden la temperatura y la salinidad.

Los esfuerzos para mejorar la comprensión y la predicción de los huracanes principales requieren la recopilación de datos oceánicos y atmosféricos en lugares hostiles y desafiantes. Las propiedades oceánicas, como la velocidad, la temperatura y la salinidad de la corriente de agua, deben medirse no solo en toda la columna de agua, sino antes, durante y después del paso de la tormenta.

Una variante del flotador APEX, el flotador de perfil electromagnético, EM-APEX, desarrollado con el Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad de Washington, es muy adecuado para recopilar esta información esencial. Además de medir las propiedades del agua, este dispositivo registra los perfiles de la velocidad de la corriente de agua. Las mediciones EM-APEX explotan los campos eléctricos inducidos por movimientos que surgen cuando el agua de mar se mueve a través del campo magnético de la Tierra.

Para explorar las condiciones del océano debajo de los huracanes, los flotadores EM-APEX deben desplegarse con poca anticipación antes de las tormentas en movimiento; por lo tanto, son lanzados por paracaídas desde un avión. Cuando el huracán Michael entró en el Golfo de México en octubre de 2018, un equipo de investigación dirigido por el profesor Nick Shay (Universidad de Miami) lanzó tres flotadores EM-APEX en su camino. El despliegue aéreo fue desde un avión Hercules WC-130J de la Fuerza Aérea de los EE. UU. Que operaba desde la base de la Fuerza Aérea Keesler; Estos aviones se modifican para recopilar información meteorológica en huracanes. Varias agencias del gobierno de EE. UU. Que monitorean y predicen huracanes ayudaron con el despliegue aéreo. Teledyne Marine proporcionó servicios de alojamiento para todos los datos transmitidos desde los flotadores desplegados, así como otro soporte técnico.

Los patrones de perfil de los flotadores EM-APEX variaron durante la implementación. Durante 12 horas antes de la llegada del huracán, los flotadores circulan continuamente entre la superficie y 800 m de profundidad. Una vez que llegó el huracán, los flotadores cambiaron a ciclos entre 30 my 300 m de profundidad, evitando así la región de superficie peligrosa y altamente energizada, mientras que aún obtienen datos del océano superior.

Después de que pasó el huracán, los flotadores se desplazaron entre la superficie y 500 m de profundidad. Este patrón resolvió las ondas casi inerciales, que son la característica más energética en la estela de una tormenta. Los movimientos casi inerciales tienen un cizallamiento de velocidad mejorado, lo que los convierte en un impulsor clave para los procesos de mezcla vertical.

Los flotadores EM-APEX se desplegaron aproximadamente 12 horas antes de que el huracán llegara a su ubicación. Durante la campaña, los ciclos de creación de perfiles deseados en las tres fases se ejecutaron correctamente, asegurando que ninguno de los flotadores EM-APEX se dañaron por la furia de la tormenta. Mientras un flotador estaba en la superficie, sus transmisiones de datos fueron recibidas por el servidor de datos Teledyne. Los flotadores EM-APEX registraron más de 600 perfiles durante seis días. Este flujo de datos ayudó a los investigadores a comprender y predecir las características de un huracán importante, así como a ver, en tiempo casi real, cómo respondió el océano al forzamiento atmosférico energético.

Protegiendo comunidades costeras
Los relatos anteriores ejemplifican los notables avances en las capacidades de observación oceánica que provienen de plataformas de observación no tripuladas. Estos dispositivos portátiles y móviles se han utilizado para tomar mediciones prolongadas en aguas que son demasiado difíciles para los barcos y demasiado peligrosas para los humanos. Los planeadores y los flotadores de perfil permiten evaluar e informar en tiempo casi real las condiciones hostiles del océano bajo huracanes y tifones. Además del valor de estos datos para la investigación oceánica, su contenido informativo ofrece importantes beneficios sociales. Han contribuido a predicciones más precisas de la llegada y la fuerza de las tormentas, protegiendo así a las comunidades costeras, reduciendo gastos defensivos innecesarios e incluso salvando vidas.

Sobre los autores:

Proveniente de la tierra, el Dr. Peter Spain estudió Física del Océano en el Laboratorio de Física Aplicada de la Universidad de Washington. Trabajó con nuevos instrumentos para medir las corrientes oceánicas. Después de un post-doctorado en Scripps Institution of Oceanography, Peter se unió a RD Instruments en 1990. Ha trabajado en Ventas y Marketing, donde progresó desde el personal de ventas hasta la gestión de departamentos y unidades de negocios. Hoy, el tema común de sus diversas actividades es el Marketing Técnico.

Clayton Jones, director senior de tecnología de Teledyne Marine, ha participado en la creación, diseño y desarrollo de plataformas de sensores oceanográficos, incluidos flotadores y planeadores.

Fig. 7: Despliegue en el aire de un flotador EM-APEX. Crédito: Sargento de la Fuerza Aérea de EE. UU. Julianne M. Showalter, DVIDS. La aparición de nosotros
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