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Sondear los secretos del océano

Los océanos de la Tierra cubren más del 70 por ciento de la superficie del planeta; pese a todo, hasta hace poco tiempo, conocíamos menos de sus profundidades que lo que conocíamos de la superficie de la luna. Aunque la luna está muy lejos, su estudio ha sido más fácil, ya que los astrónomos han podido observar su superficie desde hace tiempo. Primero, a simple vista, y después con el telescopio, dos instrumentos que se basan en la luz. Gracias a los telescopios configurados para distintas longitudes de onda de la luz, los astrónomos modernos no sólo pueden analizar la atmósfera de la tierra, sino también la temperatura y composición del sol o de las estrellas que se encuentran a cientos de años luz de distancia. Sin embargo, hasta el siglo XX, no se dispuso de un instrumento análogo para estudiar los océanos de la tierra: la luz, que puede recorrer billones de kilómetros por la inmensidad del espacio, no puede adentrarse muy lejos en el mar.

El fenómeno adecuado para penetrar en el agua es el sonido.

 

El agua es un medio excelente para la transmisión de sonido. El sonido se desplaza cinco veces más rápido por el agua que por el aire. (Copyright, Digital Vision).

Si hubiésemos sabido cómo aprovechar la extraordinaria capacidad del sonido para desplazarse por el agua, es posible que en 1912 el Titanic hubiera podido advertir la existencia del iceberg que envió al lujoso transatlántico al fondo del Atlántico Norte y que costó la vida de 1522 personas entre pasajeros y tripulación. Este trágico suceso motivó el desarrollo de mecanismos de localización por eco, técnica que permite detectar objetos distantes mediante el envío de ondas de sonido y la captación de las ondas reflejadas. Mediante estos mecanismos, científicos e ingenieros llegaron a inventar instrumentos aún más sofisticados para la detección de submarinos durante las dos Guerras Mundiales.

Actualmente, los investigadores aplican los conocimientos que poseen acerca de cómo el sonido se desplaza por debajo del agua para llevar a cabo múltiples tareas como, por ejemplo, la detección de explosiones nucleares, seísmos y erupciones volcánicas submarinas. Del mismo modo que los astrónomos utilizan la luz para descubrir los secretos de la atmósfera, los científicos de este campo denominado oceanografía acústica utilizan el sonido para estudiar la temperatura y estructura de los océanos de la tierra, mediciones que resultan esenciales para entender el cambio climático global. Los investigadores de la acústica biológica también utilizan el sonido para estudiar el comportamiento de los mamíferos marinos y su respuesta a los ruidos submarinos generados por los humanos, lo que ayuda a orientar las políticas para la protección de la fauna y la flora oceánicas.

Todos estos usos de la acústica submarina se basan en trabajos de investigación realizados hace siglos acerca de cómo se comportaba el sonido en diferentes medios de aire y agua. Estas primeras investigaciones no tenían en un principio ninguna aplicación práctica; más bien, se debían al interés de algunos investigadores por obtener un conocimiento básico de la naturaleza. Sin embargo, a medida que las siguientes generaciones de investigadores comenzaron a desarrollar estas ideas, se sentaron las bases para el desarrollo de mecanismos y técnicas que hoy tienen gran cantidad de aplicaciones.

Durante mucho tiempo, los investigadores han sentido una gran fascinación por el sonido y el modo en que éste se desplaza por el agua. Ya en 1490, Leonardo DaVinci observó: “Si detiene su barco y coloca la punta de un tubo de gran longitud en el agua y el otro extremo lo acerca a su oído, podrá escuchar barcos que se encuentren a gran distancia”. En 1687, Sir Isaac Newton publicó en su “Philosophiae Naturalis Principia Matemática” la primera teoría matemática de la propagación del sonido. A mediados del siglo XVII, los investigadores ya medían la velocidad del sonido en el aire; sin embargo, no fue hasta 1826 cuando Daniel Colladon, un físico suizo, y Charles Sturm, un matemático francés, midieron de forma precisa su velocidad en el agua. Con la ayuda de un tubo largo para escuchar debajo del agua (como había sugerido Da Vinci), consiguieron registrar a qué velocidad el sonido de una campana sumergida recorría todo el Lago Lemán. El resultado fue 1.435 metros (1.569 yardas) por segundo en agua a 1,8 grados centígrados (35 grados Fahrenheit), sólo 3 metros por segundo menos de la velocidad aceptada hoy día. Lo que demostraron estos investigadores fue que el agua, ya sea dulce o salada, es un medio excelente para el sonido, transmitiéndolo casi cinco veces más rápido que en el aire.

En 1826, Charles Sturm (izquierda) y Daniel Colladon (derecha) midieron por primera vez de forma precisa la velocidad del sonido en el agua. Sturm hizo sonar una campana sumergida y Colladon utilizó un cronómetro para registrar el tiempo que el sonido tardaba en cruzar el Lago Lemán. El resultado fue 1.435 metros por segundo, sólo 3 metros por segundo menos que la velocidad aceptada actualmente (reimpreso con el permiso de la Sociedad acústica de Norteamérica).

Pero, ¿cómo se desplaza el sonido? El sonido es un fenómeno físico que se produce cuando un objeto vibra y genera una serie de ondas de presión que de forma alternativa comprimen y descomprimen las moléculas del aire, agua o sólido por los que pasan las ondas. Estos ciclos de compresión y rarefacción, como se conoce a la descompresión, se pueden describir en términos de frecuencia, el número de ciclos de onda por segundo expresado en hercios. Por ejemplo, la voz humana puede generar frecuencias de entre 100 y 10.000 hercios y el oído humano puede detectar frecuencias de 20 a 20.000 hercios. Los perros y los murciélagos son dos ejemplos de los muchos animales que pueden escuchar sonidos a frecuencias más altas, hasta 160.000 hercios. Las ballenas y los elefantes, en el otro lado del espectro, generan sonidos a frecuencias que oscilan entre 15 y 35 hercios, muy por debajo del alcance del oído humano, por lo que se conocen como sonidos subsónicos o infrasónicos. Las ondas del sonido, como las ondas de la luz, también se pueden describir en términos de longitud de onda, la distancia entre las crestas de dos ondas; a menor frecuencia, mayor longitud de onda.

En 1877 y 1878, el científico británico John William Strutt, tercer Barón Rayleigh, publicó su principal trabajo de dos volúmenes, The Theory of Sound (La teoría del sonido), del que se suele decir que marcó el inicio del estudio moderno de la acústica. Lord Rayleigh, que recibió el Premio Nobel de física en 1904 por el aislamiento con éxito del elemento argón, realizó descubrimientos claves en los campos de la acústica y la óptica que son esenciales para la teoría de la propagación de las ondas en fluidos. Entre otras cosas, Lord Rayleigh fue el primero en describir una onda de sonido como una ecuación matemática (la base de todo trabajo teórico sobre acústica) y el primero en describir cómo pequeñas partículas presentes en la atmósfera dispersan determinadas longitudes de onda de los rayos del sol, un principio que también se aplica al comportamiento de las ondas sonoras en el agua.

Durante años, pescadores y marineros sacaron partido del modo en que el sonido se desplazaba por el agua y utilizaron técnicas rudimentarias de localización por eco. En la época de los antiguos fenicios, por ejemplo, los pescadores medían la distancia a un cabo oculto por la niebla emitiendo ruidos fuertes como, por ejemplo el sonido de una campana, y escuchando el eco. En 1902, se advertía a los barcos que navegaban por la costa norteamericana de la existencia de bancos de arena ocultos mediante campanas colocadas en buques faros fijos. Diez años después, la tragedia del Titanic hizo que la Submarine Signal Company de Boston (actualmente parte de la Raytheon Company) y otras empresas comenzaran a desarrollar dispositivos más activos que advirtieran sobre la existencia de icebergs y otros peligros para la navegación. Una semana después de la tragedia, L.R. Richardson presentó una solicitud de patente en la oficina de patentes británica para la localización por eco en el aire; un mes después presentaba una solicitud de patente para el equivalente submarino. Sin embargo, el primer dispositivo de localización por eco fue patentado en 1914 en Estados Unidos por Reginald A. Fessenden, que trabajaba para la Submarine Signal Company. El dispositivo de Fessenden consistía en un oscilador eléctrico que emitía sonidos a baja frecuencia y que, a continuación, cambiaba a un receptor para captar el eco; este dispositivo era capaz de detectar icebergs por debajo del agua a una distancia de 2 millas (3,2 kilómetros), aunque no podía determinar de forma precisa su dirección.

Durante la primera Guerra Mundial, los aliados desarrollaron dispositivos más sofisticados, aunque no se podían comparar con la amenaza de los barcos U alemanes, ya que no podían localizar ni rastrear un objeto en movimiento. Poco después de la guerra, H. Lichte, un científico alemán que estaba investigando la utilización de la acústica para despejar los puertos alemanes de minas, presentó una teoría sobre la flexión o refracción de las ondas sonoras en el mar que proporcionaría algunas pistas para resolver el problema. Basándose en los trabajos de Lord Rayleigh y el astrónomo holandés Willebrord Snell, Lichte teorizó en 1919 que, al igual que la luz se refracta al pasar de un medio a otro, las ondas sonoras se refractarían al encontrar pequeños cambios de temperatura, salinidad y presión. También sugirió que las corrientes oceánicas y los cambios estacionales afectarían a la propagación del sonido. Desafortunadamente, Lichte estaba tan adelantado para su época que sus ideas no fueron reconocidas hasta casi seis décadas después.

En Estados Unidos, los esfuerzos por desarrollar dispositivos de localización por eco más sofisticados continuaron durante la época de entreguerras bajo la dirección de Harvey C. Hayes de la Estación experimental de ingeniería naval en Annapolis, Maryland. Hayes animó a la marina de los EE.UU. a participar en los estudios oceanográficos que se estaban realizado durante las épocas de paz, una colaboración que continúa hoy día. Gracias a estos esfuerzos conjuntos, en los años inmediatamente anteriores al comienzo de la Segunda Guerra Mundial, los barcos de la marina de los EE.UU. ya contaban con sondeadores sónicos y dispositivos de localización por eco mejorados llamados sónares (para la navegación y localización por sonido) que podían captar el ruido de la hélice de un submarino o el eco reflejado por el casco de un submarino a miles de metros de distancia. Sin embargo, los dispositivos eran poco fiables. En el verano de 1937, los oficiales a bordo del U.S.S. Semmes no pudieron explicar ni corregir los problemas que surgieron con el sonar del barco durante las maniobras en las aguas próximas a la costa de la Bahía de Guantánamo, Cuba. Por alguna razón, el rendimiento de los dispositivos disminuía sistemáticamente por las tardes; no pudiendo en ocasiones registrar ningún eco. El capitán del Semmes solicitó ayuda a la Institución oceanográfica de Woods Hole o WHOI (del inglés Woods Hole Oceanographic Institution) en Woods Hole, Massachusetts. Columbus Iselin, que por entonces era director adjunto de la WHOI, se unió al Semmes con un barco de investigación de su laboratorio llamado Atlantis para investigar este desconcertante efecto.

Los científicos tenían a su disposición un nuevo dispositivo llamado batitermógrafo o BT, inventado en 1937 por Athelstan Spilhaus de la WHOI y el Instituto de tecnología de Massachusetts o MIT (del inglés Massachusetts Institute of Technology). El BT era un pequeño dispositivo en forma de torpedo que contenía un sensor de temperatura y un elemento para detectar cambios en la presión del agua. El BT, que se sumergía en el agua desde un barco, registraba los cambios de presión y temperatura a medida que iba descendiendo por el agua. Dado que la presión en decibares es aproximadamente igual a la profundidad en metros, los técnicos pudieron establecer una correlación entre la profundidad y la temperatura. Spilhaus pensaba que su BT tendría muchas aplicaciones en el estudio de numerosos aspectos básicos del océano como, por ejemplo, el efecto de la temperatura y la profundidad en la vida marina o la estructura de las corrientes oceánicas, especialmente los remolinos que se originan a los lados de grandes corrientes como, por ejemplo, la Corriente del Golfo. Sin embargo, Iselin y la marina de los EE.UU. utilizaron el BT para realizar un descubrimiento diferente y de uso más inmediato.

Las mediciones realizadas con el BT demostraron que cuando comenzaba la tarde, el sol había calentado una capa de agua superficial de 5 a 9 metros de grosor (16 a 30 pies), cuya temperatura llegaba a ser de 1 a 2 grados centígrados (2 a 4 grados Fahrenheit) superior a la temperatura del agua que se encontraba debajo. Bajo esta capa superficial el agua se enfriaba rápidamente a medida que aumentaba la profundidad. Dado que la velocidad del sonido aumenta con la temperatura, los científicos descubrieron que las señales emitidas por el sonar del barco se desplazarían con mayor velocidad a través de la capa caliente, disminuyendo drásticamente la velocidad al entrar en contacto con la capa más fría situada debajo. Del mismo modo, descubrieron que las ondas sonoras que se desplazaban por capas con diferentes propiedades se refractaban alejándose de la región en la que el sonido se desplaza más rápido y dirigiéndose hacia la región donde la velocidad disminuye. Esta flexión crea una “zona de sombra” acústica que permite que cualquier submarino que se encuentre situado justamente por debajo de la línea que separa las capas de agua más calientes de las capas de agua más frías, no pueda ser detectado por las señales del sonar.

En la capa de agua caliente del océano, el sonido se refracta hacia la superficie. A medida que las ondas sonoras se desplazan hacia el fondo donde el agua es más fría, la velocidad del sonido disminuye y se refracta hacia abajo, creando una zona de sombra en la que un submarino puede esconderse (adaptación de “Underwater Sound” [Sonido submarino] de R.A. Frosch de International Science and Technology [Ciencia y tecnología internacional]).

Columbus Iselin reconoció inmediatamente la importancia de la zona de sombra acústica y el BT para la guerra submarina. Cualquier submarino equipado con un BT podía utilizarlo para determinar dónde se encontraba la zona de sombra con relación al barco que lo estaba persiguiendo y, de esta forma, hacerse prácticamente invisible al sonar enemigo. Por su parte, los barcos caza podían utilizar un BT para el efecto contrario, ajustando la dirección de su sonar para tener en cuenta la refracción esperada.

Durante la Segunda Guerra Mundial, el BT pasó a formar parte del equipamiento estándar en todos los submarinos y buques de la marina de los EE.UU. que intervinieron en la guerra antisubmarina. Los oficiales de la marina asistieron a la WHOI para aprender a utilizar el BT y los oceanógrafos viajaron a las bases navales del país para formar a los marinos que iban a participar en la guerra. Los submarinistas recibieron órdenes de enviar todos los datos registrados con el BT a la WHOI o al Departamento de investigaciones de guerra de la Universidad de California en Punta Loma, donde se preparaban los gráficos del sonar y se enviaban a la armada.

Una vez finalizada la guerra, la base de datos del BT se utilizó como base para realizar los distintos tipos de investigaciones oceánicas que Athelstan Spilhaus tenía en mente originalmente. En 1946, la marina creó la Oficina de investigaciones navales, que llegó a convertirse en la principal fuente de financiación de las investigaciones sobre la acústica oceánica. Los científicos reanudaron sus investigaciones acerca de las condiciones que afectan a la propagación de una señal sonora debajo del agua.

Existen una serie de factores que influyen en la distancia que el sonido puede recorrer debajo del agua y su duración. Por una parte, las partículas de agua de mar pueden reflejar, dispersar y absorber ciertas frecuencias de sonido al igual que ciertas partículas de la atmósfera pueden reflejar, dispersar y absorber determinadas longitudes de onda de la luz. El agua de mar absorbe 30 veces la cantidad de sonido absorbida por el agua destilada, con sustancias químicas específicas (como sulfato de magnesio y ácido bórico) atenuando ciertas frecuencias de sonido. Los investigadores también descubrieron que los sonidos de baja frecuencia, cuyas longitudes de onda de gran amplitud pasan sobre partículas minúsculas, tienden a desplazarse más lejos sin que se produzca ninguna pérdida por absorción o dispersión.

El mayor estudio de los efectos de la salinidad, la temperatura y la presión sobre la velocidad del sonido debajo del agua ha aportado nuevas y fascinantes ideas acerca de la estructura del océano. En general se puede decir que el océano está dividido en capas horizontales en las que la velocidad del sonido depende en mayor medida de la temperatura en las regiones superiores y de la presión en las regiones inferiores. En la superficie existe una capa superior calentada por el sol cuya temperatura y grosor reales varían en función de la estación. En latitudes intermedias, esta capa tiende a ser isotérmica, es decir, la temperatura tiende a ser uniforme en toda la capa debido a que el agua está perfectamente mezclada por la acción de las olas, los vientos y las corrientes de convección; las señales sonoras que descienden por esta capa suelen desplazarse a una velocidad prácticamente constante. También existe una capa de transición llamada termoclina, en la que la temperatura baja continuamente con la profundidad; a medida que la temperatura baja, la velocidad del sonido también disminuye. Sin embargo, existe un punto, que oscila entre 600 metros y l kilómetro (0,4 a 0,6 millas) por debajo de la superficie, a partir de cual los cambios de temperatura son leves (el agua, desde este punto hasta el fondo, es isotérmica). En este caso, el principal factor que influye en la velocidad del sonido es la creciente presión que provoca que la velocidad del sonido aumente.

En 1943, Maurice Ewing y J.L. Worzel de la Universidad de Columbia realizaron un experimento para probar una teoría propuesta por Ewing varios años antes. Ewing defendía que las ondas de baja frecuencia, que son menos vulnerables que las frecuencias más altas a la dispersión y absorción, deberían poder recorrer grandes distancias, siempre que la fuente de sonido se haya colocado correctamente. Para su investigación, estos científicos provocaron la explosión dentro del agua de 1 libra (0,450 gramos) de TNT. Esta explosión realizada en las Bahamas fue detectada sin problemas por receptores situados a 3.200 kilómetros (2.000 millas) de distancia en la costa de África occidental. Al analizar los resultados de esta prueba, descubrieron una especie de canal de sonido, al que denominaron canal SOFAR (del inglés Sound Fixing And Ranging). También conocido como el “canal de sonido profundo,” este canal fue descubierto por el especialista acústico ruso Leonid Brekhovskikh del Instituto de física Lebedev, que analizó las señales recibidas tras las explosiones en el Mar de Japón.

Los científicos habían descubierto que, debido a las leyes de refracción, las ondas sonoras se podían retener eficazmente en un canal estrecho que se extendía por una región de velocidad mínima donde se encontraban el final de la termoclina con el principio de la capa isotérmica profunda. Como se observa en la ilustración, una onda sonora que se desplaza de forma oblicua a través de la termoclina se curva hacia abajo a medida que la velocidad del sonido disminuye y, a continuación, se curva hacia arriba cuando el aumento de presión provoca una mayor velocidad del sonido para, posteriormente, volver a curvarse hacia abajo en dirección a la región de velocidad mínima a medida que una mayor temperatura provoca que la velocidad del sonido aumente. Por lo tanto, el sonido introducido en este canal de sonido podría recorrer miles de kilómetros horizontalmente con una pérdida mínima de la señal. El canal de sonido profundo tiene lugar a una profundidad que varía con la temperatura del océano; por ejemplo, en las regiones polares, donde la temperatura más fría de la superficie permite que la termoclina esté más cerca de la superficie, el canal de sonido profundo también se aproxima a la superficie.

La velocidad del sonido disminuye a medida que la temperatura del agua baja al aproximarse a la termoclina. Por debajo de la termoclina, la temperatura es constante, aunque el aumento de presión provoca que la velocidad del sonido aumente (izquierda). Debido a que las ondas del sonido se curvan o refractan en dirección a la región de velocidad mínima, los cambios de temperatura o presión provocan que las ondas sonoras reboten de un lado para otro dentro de una región llamada canal de sonido profundo (conocido también como el canal SOFAR). En este canal, el sonido recorre largas distancias con una pérdida mínima de señal.

En la marina de los EE.UU. detectaron rápidamente la utilidad que el sonido de baja frecuencia y el canal de sonido profundo podían tener en la ampliación del campo en el que es posible detectar submarinos. Durante los años 50, la marina emprendió bajo la más estricta confidencialidad un proyecto al que se le asignó el nombre clave de Jezebel; más adelante se le conocería como proyecto SOSUS (del inglés Sound Surveillance System, Sistema de vigilancia por Sonido). Este sistema consistía en una serie de micrófonos submarinos, denominados hidrófonos, que se colocaban en el fondo del océano y estaban conectados por medio de cables a centros de procesamiento en tierra. Con la implementación del sistema SOSUS tanto en aguas profundas como superficiales de las costas de América del Norte y las Indias Occidentales Británicas, la marina de los EE.UU. no sólo podía detectar submarinos en gran parte del hemisferio norte, sino que también podía distinguir cuántas hélices tenía un submarino, si era un submarino convencional o nuclear y, en ocasiones, la clase de submarino de que se trataba.

Una vez finalizada la Guerra Fría, la marina de los EE.UU. permitió a científicos civiles utilizar el sistema SOSUS para realizar investigaciones básicas, dándoles acceso a información que no hubieran podido obtener de otra forma. Los científicos ahora podían aplicar la acústica submarina para ampliar sus conocimientos sobre la geología y biología de las oscuras profundidades del océano. En 1990, Christopher Fox y sus colegas del Pacific Marine Environmental Laboratory formaban parte de la evaluación militar inicial de este uso conjunto por parte de civiles y militares del sistema SOSUS. Desde 1991, el equipo de Fox, que se encuentra trabajando en el proyecto VENTS, un estudio de los sistemas de ventilación hidrotérmica, ha utilizando el sistema SOSUS para precisar la ubicación de las erupciones volcánicas debajo del agua. Este estudio ha permitido a los científicos comprender mejor los fenómenos que ocurren a lo largo de las cadenas oceánicas, elevaciones en forma de montaña en las que el piso del océano está formado por rocas fundidas expulsadas desde la corteza terrestre. (Si desea obtener más información acerca de la expansión del piso del mar, consulte el artículo de Beyond Discovery "When the Earth Moves: Seafloor Spreading and Plate Tectonics".)

Cuando Fox y sus colegas escucharon las grabaciones de las erupciones submarinas, también escucharon otros ruidos submarinos, incluidas las vocalizaciones de las ballenas. Christopher Clark, un especialista en acústica biológica de la Universidad de Cornell, también descubrió que el sistema SOSUS se podía utilizar para escuchar a las ballenas cuando visitó por primera vez una estación de SOSUS en 1992. Cuando Clark observó las representaciones gráficas del sonido realizadas durante 24 horas al día, todos los días, detectó los patrones de las voces de las ballenas azules, rorcuales, “minke” y corcovadas. También pudo escuchar los sonidos. Con la ayuda de un receptor de SOSUS colocado en las Indias Occidentales, Clark pudo escuchar a ballenas que se encontraban a 1.770 kilómetros de distancia (1.100 millas).

Las ballenas son las criaturas más grandes de la Tierra. Por ejemplo, la ballena azul puede medir 100 pies (30 metros) de largo y pesar esa misma cantidad en toneladas. No obstante, estos animales son extraordinariamente escurridizos. Los científicos que desean observar en directo a las ballenas azules deben esperar en sus barcos hasta que las ballenas salgan a la superficie. De este modo, se ha realizado el seguimiento de varias ballenas en libertad, aunque no ha sido posible seguirlas durante una gran distancia, quedando muchos aspectos acerca de estas criaturas por conocer. Mediante las estaciones de SOSUS, los científicos pueden realizar un seguimiento de las ballenas en tiempo real, situándolas en un mapa. Además, estas estaciones permiten realizar un seguimiento de varias ballenas al mismo tiempo por todo el Atlántico Norte y el Pacífico Norte oriental. También pueden aprender a distinguir las llamadas de las ballenas. Por ejemplo, Fox y sus colegas han detectado cambios en las llamadas de las ballenas rorcuales durante las distintas estaciones y han descubierto que las ballenas azules de las diferentes regiones del océano Pacífico tienen llamadas diferentes.

Uno de los misterios más interesantes sobre las ballenas es cómo son capaces de encontrar el camino en distancias tan enormes. Christopher Clark estaba interesado en averiguar si las ballenas, al igual que los delfines y murciélagos, se guían por el eco. En lugar de hacer rebotar el sonido en objetos situados a unos cuantos metros de distancia, las ballenas envían su sonido corto y metálico a estructuras geológicas a cientos de kilómetros de distancia. La teoría de que las ballenas utilizan su propio sonido para orientarse se ha venido defendiendo desde hace algún tiempo; actualmente, los datos obtenidos tras el seguimiento realizado con el sistema SOSUS proporcionan una serie de evidencias de peso que permiten a Clark apoyar esta teoría. Al superponer el gráfico del seguimiento de una ballena realizado mediante el sistema SOSUS sobre un mapa del piso oceánico, observó que la ballena se había desplazado en zigzag de una montaña submarina a otra, separadas por cientos de kilómetros. Realizó comparaciones similares con otras ballenas y obtuvo los mismos resultados. Por todo esto, Clark defiende la hipótesis de que las ballenas utilizan el sonido no sólo para comunicarse, sino también para desplazarse, es decir, trazan el océano acústicamente para encontrar el camino.

El gran alcance del sistema SOSUS ha desempeñado un papel decisivo en la obtención de información esencial para comprender las condiciones meteorológicas y climáticas de la Tierra. Concretamente, este sistema ha permitido a los investigadores comenzar a realizar mediciones de las temperaturas del océano a escala global, mediciones que son claves para entender los procesos que intervienen en la transferencia del calor entre el océano y la atmósfera. El océano desempeña un papel importante en la determinación de la temperatura del aire; se cree que la capacidad calorífica en los primeros metros del océano es igual a todo el calor presente en la atmósfera.

Dada la gran cantidad de indicios que evidencian el calentamiento global, científicos de todo el mundo se están esforzando por determinar qué parte de este calentamiento observado se debe simplemente al ciclo climático natural y qué parte se debe a la quema de combustibles fósiles y otras actividades humanas. Los modelos numéricos actuales que simulan el clima global y predicen el cambio climático se ven limitados por la falta de mediciones de las temperaturas en muchas zonas de la tierra, especialmente bajo la superficie del océano.

En 1978, Walter Munk de la Scripps Institution of Oceanography (Institución Scripps de oceanografía) y Carl Wunsch del MIT sugirieron utilizar la metodología de la tomografía asistida por computadora para estudiar y controlar el océano desde distancias de 1.000 kilómetros (600 millas) aproximadamente. En el campo de la medicina, la tomografía crea una imagen tridimensional combinando la información de numerosos rayos X tomados desde ángulos diferentes. El equivalente oceánico de esta tomografía, la tomografía acústica oceánica, combinaría la información de los sonidos de baja frecuencia en lugar de rayos X.

Para las ondas de sonido que se desplazan por el océano horizontalmente, la velocidad depende fundamentalmente de la temperatura. Por lo tanto, el tiempo que una onda sonora tarda en recorrer el espacio comprendido entre dos puntos es un indicador de la temperatura media del espacio recorrido. Si se transmite sonido en numerosas direcciones a través del canal de sonido profundo, es posible obtener mediciones que cubren grandes zonas de la tierra. En un mapa de temperaturas oceánicas globales se pueden representar miles de trayectorias de sonido del océano, de forma que con sólo repetir las mediciones para estas mismas trayectorias cada cierto tiempo, sea posible realizar un seguimiento de los cambios de temperatura durante meses o años.

En 1983, John Spiesberger, actualmente en la Universidad Estatal de Pennsylvania, y Kurt Metzger, de la Universidad de Michigan, demostraron por primera vez de forma experimental que era posible realizar tomografías de una cuenca oceánica completa, mucho más de lo que Munk y Wunsch habían propuesto. Spiesberger y Metzger enviaron impulsos sonoros a través de 4.000 kilómetros (2.300 millas), desde una fuente colocada en el fondo del mar en Oahu, Hawai, a nueve de los sistemas de escucha SOSUS de la marina en el Pacífico nororiental. Al repetir el experimento en 1987 y 1989, Spiesberger y Metzger demostraron por primera vez que cualquier pequeño cambio en el tiempo que el sonido tarda en recorrer una cuenca oceánica refleja cambios en la temperatura del agua a lo largo de la trayectoria del sonido. Una reducción de dos décimas de segundo en el tiempo de recorrido en este experimento era aproximadamente igual a un aumento medio de temperatura de una décima de grado centígrado.

 

En la prueba de viabilidad de la isla de Heard, realizada en 1991, los sonidos de tonos bajos originados a cierta distancia del litoral de la isla de Heard en el sur del Océano Índico se detectaron a más de 18.000 kilómetros de distancia (reimpreso con el permiso de la Acoustical Society of America [Sociedad Acústica de América]).

En 1989, Munk y Andrew Forbes, de la Commonwealth Scientific and Industrial Organization (Organización Científica e Industrial de la Commonwealth) de Australia, propusieron transmitir el sonido global y regularmente durante una década para tratar de realizar un seguimiento del cambio climático. Para determinar si la señal sería lo suficientemente estable para obtener mediciones en la mitad del globo terrestre, colocaron un transmisor de sonido cerca de la isla de Heard, una isla australiana deshabitada del sur del Océano Índico, con receptores en todos los océanos excepto en el Ártico. En enero de 1991 y durante cinco días, científicos de nueve países dirigidos por Estados Unidos, transmitieron sonidos desde un barco próximo a la isla de Heard. Dieciséis sitios de escucha captaron las señales del canal de sonido profundo desde distancias tan alejadas como 18.000 kilómetros (11.000 millas). Aunque el sonido se detectó a grandes distancias, la resolución conseguida en este experimento no fue suficiente para medir los cambios de temperatura de forma fiable a grandes distancias.

Basándose en lecciones aprendidas en experimentos anteriores, en 1992 se inició el proyecto ATOC (del inglés Acoustic Thermometry of Ocean Climate, termometría acústica del clima oceánico), en el que participaron científicos de 13 países. Uno de sus principales objetivos es establecer las temperaturas del océano Pacífico como referencia para contrastar los cambios. Debido a la preocupación sobre los efectos que pudieran tener los sonidos en los mamíferos marinos, las transmisiones del ATOC se aplazaron hasta 1996. Sin embargo, en abril de 1994, un equipo de científicos de EE.UU. y Rusia dirigidos por Peter Mikhalevsky, de la corporación Science Applications International Corporation (Corporación Internacional de Aplicaciones Científicas) transmitió sonidos a través del Océano Ártico e hizo un descubrimiento alarmante. Este experimento de propagación acústica transártica (o TAP, del inglés Transarctic Acoustic Propagation) no solo demostró la viabilidad de la termometría acústica de largo alcance en el Ártico helado, sino que las mediciones del tiempo invertido en el recorrido revelaron un calentamiento medio de aproximadamente 0,4 grados centígrados [0,72 grados Fahrenheit], en comparación con mediciones de temperatura anteriores realizadas a profundidades intermedias del Océano Ártico a lo largo de la trayectoria de propagación. Posteriormente, las numerosas mediciones realizadas por submarinos y rompehielos han documentado este importante cambio de temperatura en el Océano Ártico, que es actualmente objeto de nuevas y exhaustivas investigaciones. A raíz del experimento TAP se inició en 1995 el programa ruso-norteamericano de observación del clima ártico mediante sonidos submarinos (ACOUS del griego, akouz, que significa “¡escucha!”). Aunque el programa pionero de ATOC terminó en 1999, ACOUS y otros programas de monitorización acústica continúan.

Los investigadores también están usando otras técnicas acústicas para monitorizar el clima. Por ejemplo, el oceanógrafo Jeff Nystuen, de la Universidad de Washington, ha investigado el uso del sonido para medir la pluviosidad sobre el océano. La monitorización de los cambiantes patrones de pluviosidad global contribuirá sin duda a comprender los principales cambios climáticos, así como el fenómeno meteorológico conocido como El Niño. Desde 1985, Nystuen ha utilizado hidrófonos para escuchar la lluvia sobre el océano y medir acústicamente no sólo el índice de pluviosidad sino también el tipo de lluvia, desde lloviznas hasta tormentas. Al utilizar el sonido de la lluvia debajo del agua como indicador de pluviosidad “natural”, las mediciones de la pluviosidad en los océanos estarán a disposición de los climatólogos.

En los siglos transcurridos desde que Leonardo da Vinci sugirió escuchar a los barcos debajo del agua, muchos investigadores han contribuido al desarrollo de técnicas que se aprovechan del modo en que el sonido se desplaza a través del agua. Desde usos militares como la guerra submarina y la detección de explosiones submarinas hasta esfuerzos científicos como la monitorización del cambio climático y el análisis de la fauna y flora oceánicas, hemos visto cómo la sociedad moderna se beneficia de las investigaciones de aquellos que buscaban las respuestas a preguntas básicas sobre los procesos de la naturaleza.

Esta cronología muestra la serie de investigaciones básicas que han llevado a una mayor comprensión de los océanos de la Tierra a través de investigaciones de oceanografía acústica.

1490
Leonardo da Vinci observa cómo el sonido de los barcos recorre grandes distancias por debajo del agua.

1687
Sir Isaac Newton publica la primera teoría matemática de la propagación del sonido en Philosophiae Naturalis Principia Mathematica.

1826
El físico suizo Daniel Colladon y el matemático francés Charles Sturm miden la velocidad del sonido en el Lago Lemán, obteniendo como resultado 1.435 metros por segundo, casi cinco veces más rápido que la velocidad del sonido en el aire.

1877
Lord Rayleigh publica "Theory of Sound", obra en la que se establecen las bases teóricas de la acústica moderna.

1912
L. F. Richardson solicita una patente en Gran Bretaña para la localización por eco en el agua.

1914
Reginald A. Fessenden patenta, en los Estados Unidos, un nuevo tipo de transductor para la localización por eco.

1919
El científico alemán H. Lichte desarrolla una teoría según la cual las ondas sonoras cambian de dirección hacia arriba o hacia abajo en el agua cuando se encuentran con pequeñas diferencias de temperatura, salinidad y presión.

1937
Athelstan Spilhaus construye el batitermógrafo (BT).

1943
Maurice Ewing y J. L. Worzel de la Universidad de Columbia descubren el canal de sonido profundo. El científico ruso Leonid Brekhovskikh, trabajando independientemente en el Mar de Japón, descubre el mismo fenómeno.

1954-1955
La marina de los EE.UU. activa los dispositivos de primera generación para realizar escuchas en el fondo del mar de una serie que finalmente se llamará Sistema de Vigilancia de Sonido (SOSUS).

1978
Walter Munk, de la Institución Oceanográfica Scripps y Carl Wunsch del Instituto tecnológico de Massachusetts proponen trazar con sonidos imágenes tridimensionales de las temperaturas del océano.

1983-1989
John Spiesberger, actualmente en la Universidad Estatal de Pennsylvania, y Kurt Metzger, de la Universidad de Michigan, proporcionan pruebas experimentales de que cualquier pequeño cambio en el tiempo de recorrido acústico a través de la cuenca oceánica indican cambios en la temperatura media del agua.

1991
En la prueba de viabilidad de la isla de Heard, científicos de nueve países envían sonidos a 18.000 kilómetros (11.000 millas) por debajo de la superficie del mar a través de todos los océanos excepto el Ártico.

1992
Los científicos comienzan a realizar un seguimiento de las ballenas en tiempo real con el SOSUS.

1993
Mediante el SOSUS, los científicos realizan la primera detección remota de una erupción volcánica submarina.

1996
El experimento de termometría acústica del clima oceánico (ATOC) comienza a transmitir sonidos en el norte del Océano Pacífico.

1998
El programa de observación del clima ártico mediante sonidos submarinos (ACOUS) comienza a transmitir sonidos regularmente en el océano Ártico.

Este artículo es una adaptación de los doctores David Bradley, Kenneth Brink, Christopher Clark, Christopher Fox, Peter Mikhalevsky, Walter Munk, Jeffrey Nystuen y Gary Weir, de un artículo escrito por Victoria A. Kaharl para el proyecto Beyond Discoveryâ: The Path from Research to Human Benefit [Más allá del descubrimiento: El camino desde la investigación al beneficio humano] de la National Academy of Sciences (Academia Nacional de las Ciencias).

Este artículo ha sido financiado por el Departamento de la marina de los EE.UU., la Oficina de investigaciones navales y el Fondo anual de la National Academy of Sciences.

© 1999 U.S. National Academy of Sciences

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