Lo siento mucho, Señor Cousteau

Muchos y muchas de los que hemos caído leyendo este blog compartimos una pasión: la ciencia en general y la física en particular.  Tratamos de entender y explicar objetivamente el mundo que nos rodea y explorar, conocer y comprender -¡en la medida de lo posible!- los universos que están por descubrir. Sentimos especial fascinación por ir más allá de nuestras fronteras hacia escalas cada vez más pequeñas o cada vez mayores, hacia la estructura más fundamental de la materia o hacia los confines del cosmos.  Todos los que decidimos algún día acercarnos a esta ciencia, de modo profesional o movidos por la curiosidad, hemos oído hablar de quarks, teoría de cuerdas, del bosón de Higgs y los neutrinos, de ondas gravitacionales… siempre, siempre tratando de llegar hasta los límites del (¿deberíamos decir nuestro?) universo conocido. Y resulta paradójico que, incluso entre todos los freaks que sentimos esta inquietud, a menudo pasa desapercibido un mundo aún por descubrir y muchísimo más cercano a nosotros: el mundo submarino. El océano es un medio hostil para la especie humana. Como ocurre con el universo exterior, nuestro organismo no está adaptado al medio y por tanto su exploración está intrínsecamente ligada al desarrollo científico y tecnológico. Las primeras inmersiones con escafandra datan del siglo XIX, y con equipos autónomos a mediados del siglo XX. La máxima profundidad que ha alcanzado un ser humano buceando es de unos 330 metros. ¿No es curioso que podamos llegar a la Luna, que estemos pensando en explorar Marte y que seamos extraños en rincones de nuestro propio planeta? Está claro que no podemos “bajar allí abajo”, por lo que necesitaremos otras técnicas para explorar lo que ocurre tanto en la columna de agua como en el fondo submarino. Las ondas electromagnéticas siempre han sido uno de los primeros recursos de exploración para los humanos. ¡Pero si incluso tenemos una frase que dice “si no lo veo no lo creo”! La luz –espectro electromagnético visible- ha sido nuestra primera herramienta de observación y el resto del espectro ha ido detrás. Sin embargo, las ondas electromagnéticas apenas se propagan en el medio acuático (unos pocos centímetros si pensamos en las frecuencias propias de las conexiones de Wi-Fi), así que necesitamos otra herramienta, y aquí es donde queríamos llegar: las ondas acústicas.

El océano es un medio fundamentalmente acústico. La velocidad del sonido en el agua es 5 veces mayor que en el aire, y su absorción, dependiente de la frecuencia de la onda, es mil veces menor, lo que facilita que el sonido se propague velozmente y a largas distancias. Eso sí, como todo no pueden ser ventajas, el medio presenta una enorme variabilidad que afecta a la propagación del sonido: la velocidad depende de la presión, de la temperatura y de la salinidad, c=c(P,T,s), parámetros que varían a lo largo de la columna de agua, lo que, por refracción, modifica la trayectoria de las ondas acústicas. Estas ondas a su vez sufren perturbaciones y deformaciones, debido a las reflexiones y a las inhomogeneidades del medio. Estos condicionantes deben tenerse en cuenta a la hora de estudia la propagación de las ondas en el mar. 

Las especies acuáticas están adaptadas a este medio y han hecho de la acústica su herramienta fundamental de supervivencia, como los humanos hemos hecho con la vista. La mayoría, llegados a este punto, pensaremos en los sonidos emitidos por los cetáceos, orientados fundamentalmente a la detección de presas, identificación de predadores o comunicación. Estos mamíferos marinos –que suelen, por lo general, resultar bastante simpáticos- emiten sonidos en un amplio espectro de frecuencias  y los emiten no sólo bajo el agua sino también en superficie, de modo que resultan fuentes acústicas audibles para los humanos. Sin embargo, no es tan conocido que hay muchísimas otras especies, más allá de cetáceos, que son “especialistas en acústica”. Algunas especies de peces, como es el caso del pez sapo, Opsanus tau, emiten sonidos ligados al cortejo, y muchos de ellos se valen de la detección de las ondas acústicas para nadar en bancos compactos y no desorientarse. Incluso invertebrados como cangrejos o langostas emiten sonido vibrando su caparazón o por frotamiento de partes de su cuerpo. Es precisamente un invertebrado, el llamado “cangrejo pistolero”, Alpheus heterochaelis (Imagen 1), el responsable del ruido más intenso producido por una fuente biológica en el mar. Este cangrejo genera una burbuja de agua cerrando sus pinzas a gran velocidad. Por cavitación se genera una burbuja de vapor que colapsa, llegando a provocar “estallidos” de hasta 220dB_{ref 1mPa} dB a 4 cm.

Imagen 1: El cangrejo pistolero. Imagen propiedad de CSIRO¹

Al igual que todas estas y otras muchas especies, también el hombre ha desarrollado el campo de la acústica submarina para poder sacar provecho de las ventajas que proporciona un fluido (el agua) para la propagación de las ondas acústicas y aumentar su conocimiento sobre el medio acuático. Podría fecharse el inicio de esta disciplina en los trabajos de Paul Langevin entre 1915 y 1918, demostrando la capacidad de transmitir señales y con la detección de submarinos utilizando ultrasonidos. Su desarrollo fue especialmente intenso durante la segunda guerra mundial y la guerra fría, con aplicaciones de carácter principalmente militar, y posteriormente su uso se extendió también a las aplicaciones civiles. Las funciones fundamentales de la acústica submarina son: 

i) Detectar y localizar objetos y obstáculos.  

ii) Medir la características del medio-ambiente marino, o la posición y velocidad de un objeto. 

iii) Transmitir señales, tales como datos de instrumentación científica, señales entre buques y submarinos o telecomandos a dispositivos. ‏ Para desarrollar estas funciones, las técnicas acústicas utilizadas pueden dividirse en dos: técnicas pasivas y técnicas activas.

Las técnicas pasivas consisten en “escuchar” el océano: la observación consiste en registrar los sonidos existentes y procesarlos, sin emitir energía acústica en el mar. Si fuera del agua utilizamos los micrófonos, en el agua utilizaremos sus análogos acuáticos, los hidrófonos, aislados o incorporados a dispositivos más complejos de monitorización. Los sistemas pasivos tienen un abanico extenso de usos, desde la utilización recreativa para escucha de cetáceos, la detección y tracking de algunas especies o la realización de mapas acústicos o estudios de impacto. La fotografía (muestra un dispositivo pasivo, el SAMARUC³, diseñado en la Universitat Politècnica de València. 

Imagen 2: Sistema acústico pasivo SAMARUC.

Los gráficos muestran los niveles recogidos en un fondeo en Cabrera: el gráfico superior (Imagen 3) corresponde a una semana del mes de agosto, el inferior (Imagen 4) a la última semana del año. El aumento de tráfico marítimo en agosto es evidente comparando los dos registros. Cabe destacar también el aumento de niveles en el último día del registro inferior: corresponde a fin de año.

Imagen 3: registro del fondeo del Parque Nacional de Cabrera a 90 m de profundidad, muestra la variabilidad diaria de presencia de embarcaciones en del 8 al 16 de agosto de 2013.

Imagen 4: registro desde el 24 diciembre del mismo año al año nuevo de 2014, evidenciando la menor presencia de embarcaciones y disminución de niveles.

Las técnicas activas, por el contrario, conllevan la emisión de ondas acústicas en el océano. Su utilización es muy amplia y, de modo general, permiten detectar y localizar objetos aunque estos no sean fuentes de sonido–es la principal función de sónares y ecosondas-, medir características del entorno marino y transmitir señales.  El funcionamiento del principal dispositivo activo –ecosondas y sónar- consiste en su descripción más básica en la emisión de un pulso acústico y la recepción y procesado del eco producido por los objetos que encuentra en la columna de agua o en el fondo. La nivel de intensidad del eco recibido por la ecosonda, EL (echo level),  viene dada según la ecuación del sónar⁴:

EL = SL - 2 TL + TS

En esta ecuación, donde las magnitudes se expresan de forma logarítmica, SL (source level) representa el nivel de fuente, que es configurado por el usuario en el momento de emitir el pulso ultrasónico y por tanto conocido, TL (transmission loss) tiene en cuenta las pérdidas por transmisión del haz en el camino de ida hasta el obstáculo y de vuelta hasta la ecosonda, de ahí el “2”, considerando tanto las pérdidas por absorción como por dispersión geométrica y que son conocidas si se conocen las propiedades del medio y del pulso emitido y, finalmente, el término TS (target strength) es el factor de blanco,  que se define como la relación (en dB) de la intensidad de la onda devuelta (hacia la ecosonda) por el objeto (I_bs) y la que incide sobre éste (I_i), y tiene la expresión:

T S = 10log (I_bs / I_i)

El TS depende de las propiedades del objeto sobre el que incide: material, orientación, tamaño, forma, respuesta a la frecuencia... y por tanto es un parámetro fundamental en el campo de la acústica activa.

Uno de los objetos que nos encontramos en la columna de agua son, por supuesto, los peces y el estudio de su TS es una herramienta fundamental en pesquerías⁵: detección de bancos, monitorización, control de crecimiento, identificación de especies… En el gif vemos el funcionamiento de una ecosonda de haz simple, que muestra el eco procedente de un pez atravesando el haz acústico.  

Quizá, llegados a este punto, aún no se os haya pasado por la cabeza pensar qué tiene que ver todo esto de la acústica submarina con comerse un buen sashimi de maguro. Aunque probablemente no podáis dejar de pensar en ello, sobre todo si os gusta el sushi… ¡Lo veremos más adelante!    

Sashimi de Akami. Imagen propiedad de Tunatega Balfegó.⁶

El océano es un mar de ruido, y el sonido vive en él “como pez en el agua”. Sintiéndolo mucho, Sr. Cousteau, no, no es un mundo silencioso.

Texto de Isabel Pérez-Arjona, Doctora en Física por la Universidad de Valencia y Profesora Titular de la Universitat Politècnica de València (Campus de Gandia).

¹http://www.scienceimage.csiro.au/

²Lohse, D., Schmitz, B. and Versluis, M. 2001, “Snapping shrimp make flashing bubbles.” Nature 413(6855): 477 – 478

³R. Miralles, G. Lara, A. Carrion, and J.A. Esteban. SAMARUC a Programmable system for Passive acoustic monitoring of cetaceans. WAVES, 5(1):69–79, 2013.

⁴Lurton, Xavier. An introduction to underwater acoustics: principles and applications. Springer Science & Business Media, 2002.

⁵MacLennan, David N., and E. John Simmonds. Fisheries acoustics. Vol. 5. Springer Science & Business Media, 2013.

⁶https://www.tunatecabalfego.com/