Estrategias del procesado y análisis espectral de datos sísmicos para el estudio de procesos dinámicos en oceanografía física
- Autores: Jhon Fredy Mojica Moncada
- Directores de la Tesis: Valentí Sallarès Casas (dir. tes.), Miquel Canals Artigas (dir. tes.), Berta Biescas Górriz (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat de Barcelona ( España ) en 2015
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: José Luis Pelegrí Llopart (presid.), Beatriz Benjumea Moreno (secret.), Mikhail Emelianov (voc.), Grant George Buffett (voc.)
- Materias:
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- Tesis en acceso abierto en: TDX Dipòsit Digital de la UB
- Resumen
La circulación oceánica de gran escala se encuentra relacionada con la pequeña escala a través de los procesos turbulentos, los cuales hacen posible el intercambio de energía cinética. En equilibrio, el flujo de energía inyectado por el forzamiento climatológico en el rango de producción (macroescala) debe balancearse por los procesos de mezcla en el rango de disipación (meso- y pequeña escala). Alrededor de la frecuencia de Coriolis, el efecto cinemático dominante es el campo de los giros geostróficos, mientras que a mayores frecuencias y especialmente cerca de la frecuencia inercial, los movimientos están dominados por la dinámica de las ondas internas, cuya propagación en el océano transfiere la energía a menores escalas a través de procesos de dispersión y de interacción onda-onda. Dependiendo de las condiciones oceanográficas, cuando las ondas internas rompen, generando como consecuencia, la transferencia de parte de su energía a las escalas más pequeñas mediante procesos de mezcla irreversible, este proceso se puede generar de diversas maneras. Actualmente la física que gobierna los diferentes sub-rangos se conoce relativamente bien pero, en cambio, los mecanismos de transferencia de energía entre los distintos sub-rangos, se comprenden solo parcialmente. Esto es debido principalmente al vacío observacional existente en el rango espacial intermedio (~101 ¿ 103 m). Esta falta de observaciones directas ha motivado que se hayan planteado diferentes modelos teóricos para explicar los mecanismos y rutas de transferencia, como por ejemplo los modelos de interacción onda-onda a nivel meso-escalar hasta escalas disipativas, las inestabilidades, y la interacción con la topografía. En este trabajo se presenta evidencia observacional indicando que la cascada energética en la termoclina del Mar de Alborán sigue la ruta de las inestabilidades. En particular, se muestra que el rompimiento de las ondas internas está causado por el desarrollo de inestabilidades de cizalla como las de Kelvin-Helmholtz (K-H). Estos resultados innovadores se basan en el análisis espectral del desplazamiento vertical de reflectores acústicos registrados por primera vez con un sistema de sísmica multicanal de alta resolución (HR-MCS), que proporciona una cobertura espectral completa entre escalas de 103 m y 10 m en dirección horizontal y una resolución de unos 2 m en dirección vertical. Para el análisis se han utilizado datos de HR-MCS adquiridos durante la campaña de prospección geológica IMPULS-2006. El Mar de Alborán es un área oceanográficamente activa, caracterizada por el intercambio de aguas Atlánticas (AW) y aguas Mediterráneas (MW) a través del estrecho de Gibraltar. Este intercambio produce una estratificación termohalina que en el momento de la realización de la campaña IMPULS, se localizaba entre 35 m y 110 m. La termoclina estratificada se encuentra perturbada de forma continua por el efecto de las ondas internas provenientes del estrecho de Gibraltar y que se propagan y disipan en la cuenca de Alborán. Debido al intercambio de aguas a través del estrecho, el sistema estratificado está también afectado por una cizalla constante, lo que lo hace propenso a la generación de inestabilidades de cizalla y al desarrollo de turbulencia estratificada. En este trabajo se han identificado y caracterizado los mecanismos de transferencia de energía entre ondas internas y turbulencia a partir de mediciones directas y simultáneas realizadas con equipos hidrográficos convencionales (XCTD, XBT), el uso de datos de ADCP registrados en otras campañas sobre la misma área de estudio y su combinación con datos de HR-MCS. En concreto, se muestra que el mejor candidato para explicar las pendientes espectrales observadas en esta zona de transición son las inestabilidades de K-H, que son a su vez consistentes con los valores de variables oceanográficas determinadas a partir de medidas directas, como por ejemplo un número de Richardson por debajo de ~0.25. Previamente al análisis espectral, se procesaron los datos de HR-MCS aplicando una cadena de procesado diseñada específicamente para mitigar la energía de la onda directa, realzar la continuidad lateral de los reflectores, e identificar la estructura termohalina somera. A las imágenes sísmicas obtenidas se les realizó una conversión en profundidad utilizando un modelo de velocidades obtenido a partir de los XBTs. Para calcular el espectro energético de los reflectores acústicos se seleccionaron los dos perfiles sísmicos de mayor calidad (IMPULS 2 e IMPULS 3). Estos perfiles muestran unos reflectores acústicos que ondulan de forma continua lateralmente, revelando las perturbaciones de la estructura originada en los límites termohalinos de la capa estratificada en el rango de escalas intermedias. Se aplicó un análisis señal-ruido basado en la coherencia lateral de los reflectores a distintas bandas de frecuencia que indica que la banda de frecuencia utilizable se extiende entre 40 Hz y 240 Hz. Se seleccionaron un total de 117 reflectores con una coherencia lateral mayor que 1250 m mediante un criterio de correlación cruzada entre trazas adyacentes, para asegurar que todos contribuyen igualmente al comportamiento espectral entre 103 m y 10 m. El espectro energético del desplazamiento vertical de los reflectores (¿¿x), se ha calculado de forma análoga a otros estudios previos obtenidos con equipos sísmicos de menor resolución. Un punto clave para comparar las pendientes espectrales con estimaciones teóricas de la energía es que las ondulaciones de los reflectores acústicos reproduzcan el desplazamiento vertical de las isopicnas. Se asume que esta condición es válida para la zona de estudio, ya que ésta no se encuentra afectada por intrusiones salinas o de temperatura. Cabe destacar que los espectros individuales de ambos perfiles sísmicos presentan las mismas características que el espectro combinado, a pesar del hecho que el barco se moviera en direcciones opuestas durante la adquisición y de que éstos se adquirieran con un lapso de 10 horas. Esto implica que las características oceanográficas son robustas y comunes en ambos perfiles y por tanto que el efecto del movimiento del barco es negligible. A nivel mesoescalar, el espectro energético de las ondulaciones de los reflectores sigue el modelo de Garrett-Munk (1979), que predice una pendiente espectral con valor -2. En los espectros calculados, este valor se presenta a escalas horizontales mayores de ~100 m, es decir, similares a la escala de flotabilidad local calculada a partir de medidas oceanográficas (lNh ¿ 93 m). Por tanto, se deduce que esta parte del espectro debe corresponder a ondas internas en el rango mesoescalar. De acuerdo a la teoría y a simulaciones numéricas de alta resolución, el sub-rango transicional es asociado a las inestabilidades de cizalla en general, y a las de K-H en particular, debe presentar pendientes espectrales entre los -2.5 y -3.0. Este rango de pendientes es consistente con la pendiente espectral calculada en el rango de escalas intermedio (100 ¿ 35 m), donde se obtiene un valor promedio de -2.8. Una característica de las estructuras formadas por las K-H es su forma de vórtice laminar con una escala horizontal que es un orden de magnitud mayor que la escala vertical (comúnmente una relación 7/1), acorde también a las observaciones sísmicas. Finalmente el modelo de Batchelor, que es el más aceptado para describir el sub-rango inercial que continua a menores escalas predice que la pendiente espectral en este rango debe ser -5/3. El análisis espectral muestra pendientes próximas a este valor (-1.64), a partir de los ~35 m, lo que sugiere que a estas escalas los vórtices laminares ya han colapsado y la dinámica empieza a ser dominada por procesos turbulentos. A partir de los valores obtenidos en la caracterización espectral, se ha determinado el nivel de mezcla generado para cada uno de los rangos espaciales, utilizando para ello las relaciones existentes entre las que destacan las desarrolladas para el rango meso-escalar por Gregg (1989), un modelo planteado por D¿Asaro y Lien (2000) para escalas intermedias y un modelo simplificado de Batchelor para la pequeña escala. Así para el rango meso-escalar se obtiene una tasa de disipación ¿IW = 1.83 x 10-9 Wkg-1, y a partir de ésta siguiendo la relación de Osborn (1980) un valor de disipación diapicna log10 kp = -3.72 m2s-1. Los valores obtenidos para el rango transicional son ¿tran = 1.45 x 10-9 Wkg-1 y log10 kp = -3.82 m2s-1, respectivamente; y para el rango turbulento ¿tur = 1.22 x 10-9 Wkg-1 y log10 kp = -3.90 m2s-1. Cabe destacar que estos valores se ajustan a los niveles de mezcla medidos directamente en la cuenca de Alborán con equipos hidrográficos convencionales, confirmando la validez del sistema HR-MCS para la identificación y caracterización de estructuras y procesos oceanográficos a escalas intermedias. Los parámetros de mezcla obtenidos con el sistema de sísmica HR-MCS, pueden contribuir en la mejora de los modelos predictivos de procesos relacionados con la dinámica oceánica, debido a su alto nivel de sinopticidad, alta resolución lateral y amplio rango de escalas, abarcando desde la mesoescala hasta la estructura fina.
