Datos del proyecto
Acronimo: OCEANTECH
Título completo: Herramientas avanzadas para el estudio de la din�mica oce�nica y la gesti�n medio-ambiental
Programa Proyectos Intramurales de Frontera
del Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC)
Código: PIF06-059
Inicio: 1 Enero 2007
Final: 31 Diciembre 2008
Coordinador: Antonio Turiel, Instituto de Ciencias del Mar, Barcelona
Introducción
El estudio de los océanos plantea retos de importancia no sólo
científica sino también social y económica. Los
océanos regulan el clima del planeta y son fuente de recursos
naturales. A un nivel fundamental, el transporte y mezcla en procesos de
mesoescala (escalas espaciales de 10-100 km) son esenciales para comprender
los ecosistemas marinos, prever su evolución y en última
instancia gestionar necesidades y riesgos (proliferaciones de algas
tóxicas, eutrofización de las aguas, etc.). A nivel aplicado,
entender la circulación de mesoescala es esencial para disponer de
sistemas de oceanografía operacional necesarios para la gestión
de riesgos ambientales y de seguridad marítima.
El objetivo de nuestra propuesta es explorar la aplicabilidad de
técnicas procedentes del ámbito de la Física No Lineal y
de los Sistemas Dinámicos - Técnicas Multifractales
(MSS) y Técnicas Lagrangianas (TL) en el tratamiento
operacional y gestión de recursos naturales a partir de datos
oceanográficos, principalmente datos de satélite. Los
investigadores participantes han realizado contribuciones relevantes en el
desarrollo de las técnicas mencionadas. Las TL se encuadran en el
ámbito matemático de los sistemas dinámicos. Se ha
demostrado que objetos teóricos como las variedades invariantes
de trayectorias hiperbólicas son útiles para determinar
vías de transporte en flujos oceánicos realistas, identificar
barreras al transporte, e incluso definir medidas objetivas de intensidad de
mezcla en diversas zonas geográficas. Por otro lado, la
aplicación de
técnicas multifractales MSS a imágenes térmicas ha
permitido estimar corrientes superficiales de mesoescala, potencialmente
aplicables para fines operacionales. Dado que la estructura multifractal es
usualmente resultado de la advección por un fluido turbulento, existe
un puente ligando las TL con las MSS que, de explotarse, daría lugar a
más avances teóricos y nuevas técnicas operacionales. Si
bien estos resultados recientes confirman el potencial de las técnicas,
su aplicación se encuentra todavía en una fase exploratoria. La
tarea de convertirlas en herramientas accesibles a la comunidad
científica y a los responsables de gestión del entorno marino
requiere de un sustancial desarrollo tanto en aspectos fundamentales,
comprendiendo su significado y limitaciones, como en su implementación
práctica. Una combinación poco habitual de conocimientos,
procedentes de áreas dispares como la oceanografía, la
física no lineal y la matemática aplicada, son reunidas por el
equipo proponente y son necesarias para llevar a cabo esta tarea. Esta
intrínseca interdisciplinariedad, y el riesgo implícito en el
desarrollo de ideas que se han explorado en un número limitado de
situaciones, hacen difícil la financiación de esta propuesta en
convocatorias tradicionales de proyectos.
Desde el punto de vista de la oportunidad, éste es el momento idóneo para dar impulso a estas metodologías. Instituciones extranjeras (como el IFREMER - centro oceanográfico francés de referencia a nivel nacional y europeo-, CLS -líder mundial en el almacenamiento y procesamiento de datos de satélite-, LEGOS o el INRIA - institución pública de investigación en Tecnologías de la información de rango similar al CSIC) han mostrado un creciente interés por estas metodologías, que empiezan a recibir eco considerable en proyectos europeos como el proyecto integrado MERSEA, donde investigadores de esta propuesta participan. Nuestra intención es plasmar los avances científico-teóricos en un prototipo de software que sea útil para analizar procesos de circulación tanto en estudios fundamentales del ecosistema marino como en usos operacionales (seguimiento de vertidos contaminantes y estimación de su difusión, obtención de campos de corrientes para operaciones de salvamento y rescate, seguimiento de proliferaciones de algas tóxicas, etc.). El INRIA francés ha empezado a desarrollar un entorno de programación que facilitaría la implementación de los algoritmos que aquí proponemos en una herramienta operacional eficaz. INRIA y CSIC han iniciado conversaciones para establecer un acuerdo marco de cooperación permanente en estos temas, y la propia OTT del CSIC está realizando estudios de patentabilidad. El coste de oportunidad de no apoyar la presente propuesta es elevado: el CSIC dispone de recursos propios de calidad para llevarla a cabo, y sería un error estratégico dejar esta oportunidad en manos de instituciones extranjeras.
Objetivos
Objetivos científico-teóricos:- Cascada turbulenta y jerarquización del flujo oceánico: La circulación oceánica de mesoescala tiene propiedades estadísticas que son consecuencia de la cascada de energías que se desarrolla en flujos turbulentos. Estas propiedades producen singularidades en los campos observables (temperatura, clorofila,...) en cuya caracterización se centran los métodos MSS. Se profundizará en las relaciones entre las propiedades estadísticas de la circulación oceánica y de su correspondiente descripción en términos de MSS.
- Transporte y advección: Se desarrollarán técnicas numéricas para identificar trayectorias hiperbólicas distinguidas (DHT) y sus correspondientes variedades estables e inestables a partir de datos de altimetría y de campos de velocidades obtenidos por metodologías MSS. Estas estructuras caracterizan la dinámica Lagrangiana de las sustancias transportadas. Comparación con imágenes de satélite permitirá identificar qué aspectos de estas imágenes no son consecuencia directa de la advección horizontal, y la importancia relativa de los diversos mecanismos de transporte.
- Mezcla y estructuras de mesoscala. Impacto sobre la productividad primaria del plancton: Identificación de las estructuras coherentes (vórtices, frentes, barreras al transporte) presentes en los datos de satélite mediante el cálculo de los exponentes de Lyapunov a escala finita. Determinación de zonas con mayor actividad de mezcla. Se buscará correlacionar estas estructuras con las zonas de actividad biológica detectadas a partir de imágenes de satélite de clorofila superficial, y se estimará la influencia de la propia dinámica biológica mediante asimilación de los datos disponibles en modelos numéricos de evolución de poblaciones de planctónicas.
- Estimación de variables dinámicas de interés operacional a partir de imágenes de satélite: Usando la técnica de MSS, imágenes de temperatura superficial del mar y de color del océano pueden ser usadas para obtener una estimación de la velocidad instantánea de las corrientes marinas y para estudiar la correlación de la mesoscala con la distribución de biomasa. Novedosos estudios muestran además que el análisis multifractal puede ser usado también para evaluar coeficientes locales de difusividad turbulenta horizontal. La obtención de estos coeficientes permite mejorar los mapas de riesgo biológico (asociado a derrames de hidrocarburos, HABs...); también dan una idea de los intercambios energéticos de los niveles superiores del océano.
- Construcción del prototipo OCEANTECH: Usando el entorno de programación desarrollado por el INRIA, el diseño de un prototipo de gestión operacional de datos de satélite debería ser asequible. Además, el uso de estas técnicas no se ciñe exclusivamente al ámbito oceanográfico, así que otros entornos de aplicación pueden ser explorados. El software sería licitado bajo titularidad CSIC-INRIA.
