4.13 Detección y Monitoreo de Chorros de Corriente de Superficie Marina Inducidos por Tsunamis en Plataformas Continentales

Cuando las olas de tsunami encuentran pendientes pronunciadas en los bordes de las plataformas continentales y en la costa, las olas se vuelven no lineales, y la conservación del momento en la columna de agua produce chorros (es decir, chorros) de corrientes de superficie marina en áreas de discontinuidades de profundidad y regiones poco profundas. Según lo discutido por Barrick (1979), una onda de tsunami sinusoidal aparece como una corriente superficial periódica. Su velocidad orbital de onda en la superficie transporta las ondas mucho más cortas vistas por el radar, lo que se suma al campo de corriente ambiental y produce una señal clara detectable por el radar. El tsunami, que se supone que se propaga perpendicularmente a los contornos de profundidad, produce velocidades de corriente de la superficie del mar que se superponen en el fondo de velocidad de corriente ambiente que varía lentamente. En cierta medida, hay un patrón a priori de grandes corrientes superficiales que ocurren cuando un tsunami se encuentra con pendientes bentónicas empinadas en el borde de una plataforma continental. Las corrientes de tsunami tienen una firma característica debido a su coherencia a grandes distancias, lo que permite detectarlas cuando llegan al área de cobertura del radar (Lipa et al., 2006).

Barrick (1979) propuso originalmente el uso de sistemas de radar de alta frecuencia basados en tierra para la alerta de tsunamis. En la actualidad, los sistemas de radar de alta frecuencia funcionan de forma continua desde muchos lugares costeros de todo el mundo, monitoreando las corrientes y olas de la superficie de los océanos a distancias de hasta 200 km. Para cada ubicación de radar de alta frecuencia, es posible calcular un patrón de respuesta a tsunamis mediante métodos de modelado numérico(Lipa et al., 2006; Heron et al., 2008). Para una aproximación de primer orden, se supone que la respuesta de las corrientes de la superficie del mar al tsunami que se aproxima a la plataforma continental es independiente de la dirección de la fuente del tsunami. Esto se debe a que, como se mencionó anteriormente, los frentes de olas de tsunami se refractan en aguas profundas y se acercarán al borde de la plataforma dentro de un pequeño rango de ángulos alrededor de ortogonales. Esta suposición se puede probar para cada sitio mediante cálculos numéricos proporcionados por Greenslade et al. (2007). Para simular las señales vistas por el radar de alta frecuencia en caso de un tsunami que viaja hacia la costa, Dzvonkovskaya et al. (2009) calcularon la velocidad de la corriente de superficie marina inducida por tsunamis utilizando el Modelo Oceanográfico de la Plataforma Oceánica de Hamburgo (HAMSOM), luego lo convirtieron en señales moduladoras y se superpusieron a las señales de retrodispersión de radar medidas. HAMSOM involucra los términos de fricción y Coriolis y, por lo tanto, puede simular la propagación de olas desde las profundidades del océano hasta las áreas de plataforma donde los procesos no lineales juegan un papel importante. Después de aplicar técnicas convencionales de procesamiento de señales, los mapas de la corriente superficial del mar contienen las características de la corriente inducida por tsunamis, que cambian rápidamente, y se pueden comparar con los datos de HAMSOM. En estos mapas se pueden observar claramente las señales de corriente de tsunami radial específicas, si se utiliza una resolución espacial y temporal adecuada. Gurgel et al. (2011) describieron un algoritmo de detección de tsunamis que se puede utilizar para emitir un mensaje de alerta automatizado de tsunamis. El mapa de la corriente superficial del mar basado en estos espectros tiene un patrón que cambia muy rápidamente en el área de la plataforma antes de que la ola del tsunami llegue a la playa. En estos mapas se observan claramente las señales de corriente radial de tsunami específicas. Si el borde de la plataforma está lo suficientemente lejos de la costa, la primera aparición de tales firmas puede ser monitoreada por un sistema de radar de alta frecuencia con suficiente antelación para emitir un mensaje de advertencia sobre un tsunami que se aproxima. Por lo tanto, la respuesta de la corriente superficial del mar se convierte en una firma que se puede buscar en el proceso de análisis de datos. Heron et al. (2008) han proporcionado cálculos de modelos de vectores de corriente de superficie del mar cuando la primera ola del tsunami del Océano Índico del 26 de diciembre de 2004 encontró una sección del borde de la plataforma continental de la isla de Seychelles.

Lipa et al. (2006) demostraron que los sistemas de radar Doppler de alta frecuencia en funcionamiento en la actualidad son capaces de detectar corrientes de tsunami y proporcionar información vital mucho antes del impacto, cuando la plataforma continental adyacente es amplia. Heron et al. (2008) encontraron que el radar Doppler de alta frecuencia está bien acondicionado para observar las ráfagas de corriente superficial en el borde de la plataforma continental y dar una advertencia de 40 minutos a 2 horas cuando la plataforma mide de 50 a 200 km de ancho. Sin embargo, en el uso de la tecnología de radar de alta frecuencia, hay un equilibrio entre la precisión de las mediciones de velocidad de corriente superficial y la resolución temporal. Se puede obtener una ventaja en la relación S / N del conocimiento previo del patrón espacial de los chorros en el borde de la plataforma continental. Fue mostrado por Heron et al. (2008) que el radar Doppler de alta Frecuencia phased array desplegado en la Gran Barrera de Coral en Australia (donde la profundidad de la plataforma es de unos 50 m) y que funciona de manera rutinaria para mapear las corrientes de la superficie del mar puede resolver los chorros de corriente superficial de los tsunamis en el rango de período de olas de 5 a 30 minutos y en el rango de longitud de onda superior a unos 6 km. Se ha comprobado que esta red está bien acondicionada para su uso como monitor de tsunamis pequeños y grandes y tiene el potencial de contribuir a la comprensión de la génesis de los tsunamis.

Cuando el radar Doppler opera en su modo rutinario de mapeo de corriente de la superficie del mar, cada estación registra una serie de tiempo promedio (unos pocos minutos) en un intervalo de muestreo conveniente (digamos, 10 minutos). En este modo, el radar solo podía detectar tsunamis con períodos de olas superiores al doble del intervalo de muestreo (criterio de muestreo de Nyquist). En otras palabras, si el intervalo de muestreo es de 10 minutos, el radar solo detectaría tsunamis con un período de olas superior a 20 minutos. Sin embargo, si se va a utilizar el radar Doppler de alta frecuencia para la detección de chorros de corriente de superficie del mar inducidos por tsunamis (generados en discontinuidades de profundidad) con fines de alerta, el radar tendría que cambiarse a un «modo de alerta» de operación, presumiblemente después de una alerta sísmica. Lipa et al. (2006) sugirieron que, en caso de amenaza de tsunami, el software de vigilancia de tsunamis (que produce velocidades actuales e información de olas locales en los muchos radares de alta frecuencia en funcionamiento alrededor de las costas del mundo) podría funcionar en paralelo (en segundo plano), activando una alerta de tsunami. Esta información estaría a disposición de las autoridades locales y sería inestimable si las comunicaciones internacionales fallan o sus predicciones son demasiado generales. Los modelos mundiales pueden ser inadecuados para zonas localizadas para las que la batimetría disponible puede no tener una resolución adecuada. Además, cuando un epicentro sísmico está cerca de la costa, es posible que no haya tiempo suficiente para que se active la cadena de comunicación internacional. En esos casos, los sistemas locales proporcionarían la única advertencia previa. Un sistema de este tipo también puede aliviar los problemas de falsas alarmas que afectan a los sistemas de vigilancia de tsunamis existentes. Los modelos computadorizados de predicción y los planes de alerta temprana se aplican únicamente a los tsunamis generados por terremotos; las redes de radar de alta frecuencia también podrían detectar los tsunamis generados por deslizamientos de rocas submarinos y perforaciones de marea.

Según Heron et al. (2008), la utilidad más eficaz de un «modo de alerta» de operación sería ayudar a la red de alerta llenando la brecha entre los sensores de las profundidades oceánicas y los indicadores costeros del nivel del mar y, en particular, evitar falsas alarmas debido a su alta sensibilidad en comparación con otros sensores. Sin embargo, es de esperar que un tsunami sea más difícil de detectar si es pequeño o si las velocidades de la corriente de fondo debido a mareas, vientos o gradientes de densidad en el área monitoreada son grandes y varían rápidamente. Para la tarea de detección de tsunamis, las velocidades de corriente de fondo se pueden considerar una especie de» ruido de fondo » que debe eliminarse para obtener las corrientes inducidas por tsunamis con mayor claridad.

La mejor manera de manejar esta dificultad es usar un modelo oceanográfico para simular este «ruido de fondo».»Para mantener el resultado del modelo cerca de las corrientes oceánicas realmente medidas, se puede «guiar» aplicando una técnica de asimilación de datos (Gurgel et al., 2011). En una aplicación sobre el terreno, se necesitaría un estudio de viabilidad para cada ubicación, basado en la frecuencia de transmisión por radar y teniendo en cuenta los regímenes actuales típicos de la ubicación, además de la batimetría. Es necesario destacar que, si se utilizan radares oceanográficos para la detección de tsunamis, deben funcionar en un tiempo (2 minutos) y un espacio (1,5–2) elevados.0 km) modo de resolución para tener la mejor sensibilidad y poder resolver las firmas de tsunami que cambian rápidamente. Gurgel et al. (2011) han encontrado que una firma de chorro de corriente de superficie marina inducida por un tsunami desaparece por completo en tiempos de integración mayores de 25 minutos. Describieron una propuesta de un nuevo algoritmo para la detección automática de tsunamis utilizando un enfoque de tasa de falsa alarma constante (CFAR).