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Ingeniería de
      Recursos Hídricos
   Organización para un Desarrollo Sostenible




“INGENIERÍA DE COSTAS”




               Presentado por:



    Bach. Ing. Luis Alexander García Cavero

        e-mail: lgarcia.ingc@gmail.com

 Sitio Web: www.ingenieriarecursoshidricos.com




                LIMA – PERÚ


                     2012
CAPÍTULO 1



PROPIEDADES DEL
  AGUA DE MAR
INDICE GENERAL


INDICE GENERAL ............................................................................................................................. III

PROLOGO ........................................................................................................................................ IV

LISTADO DE TABLAS ......................................................................................................................... V

LISTADO DE FIGURAS ....................................................................................................................... V



CAPÍTULO 1: PROPIEDADES DEL AGUA DE MAR ............................................................................... 6

1.      INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................ 6
2.      COMPOSICIÓN DEL AGUA DEL MAR ........................................................................................................ 6
3.      SALINIDAD ........................................................................................................................................ 7
3.1     CONDUCTIVIDAD ELECTRICA ........................................................................................................ 9
4.      TEMPERATURA ........................................................................................................................... 10
5.      DENSIDAD ...................................................................................................................................... 12
6.      VISCOSIDAD .................................................................................................................................... 13
7.      TENSIÓN SUPERFICIAL ................................................................................................................ 15
8.      EL SONIDO EN EL OCÉANO .................................................................................................................. 16
9.      LUZ EN EL OCÉANO...................................................................................................................... 19
10.     DISTRIBUCION DE LA DENSIDAD, TEMPERATURA Y SALINIDAD..................................................................... 22
11.     PRINCIPALES MASAS DE AGUA OCEÁNICAS ................................................................................ 23

REFERENCIAS ................................................................................................................................. 24




                                                                                                                                                        III
PROLOGO




El presente documento es el Capítulo 1. Propiedades del Agua de Mar, que

es uno de los textos que se están elaborando, con el objetivo principal:



     Ofrecer un paquete de información base, para que el usuario pueda

           seguir un lineamiento de estudio sobre la ingeniería de costas.



El tema de Ingeniería de Costas no podría ser mejor ni más oportunamente

escogido, puesto que el control de las zonas costeras y por lo tanto, las

estructuras necesarias para dicho control, son tareas vinculadas desde

antaño, y hoy más que nunca, al desarrollo de nuevos proyectos.



En esta rama de la ingeniería, se ha venido utilizando recursos informáticos

los cuales permiten resolver diferentes problemas con mayor precisión

mediante cálculos analíticos, pero también es cierto, que es indispensable la

experiencia y el buen criterio del ingeniero para dar dichos resultados como

fiables.




                                                                             IV
LISTADO DE TABLAS


CAPÍTULO 1

TABLA 1.1. COMPOSICIÓN DE SOLUTOS SÓLIDOS DEL AGUA DEL MAR, CADA UNO EXPRESADO COMO PORCENTAJE DEL
     TOTAL. FUENTE: OSORIO ARIAS & ALVAREZ SILVA, 2006. ......................................................................... 7
TABLA 1.2. RELACIÓN TEMPERATURA / VISCOSIDAD EN AGUA DULCE Y AGUA DE MAR.                                               FUENTE: OSORIO
     ARIAS & ALVAREZ SILVA, 2006 .......................................................................................................... 14
TABLA 1.3. PRINCIPALES MASAS DE AGUA OCEÁNICAS.                                                            FUENTE: OSORIO ARIAS &
     ALVAREZ SILVA, 2006. ...................................................................................................................... 23




LISTADO DE FIGURAS


CAPÍTULO 1



FIGURA 1.1. PERFILES TÍPICOS DE TEMPERATURA/PROFUNDIDAD A DISTINTAS LATITUDES.                                                      FUENTE:
     PICKARD, 1982 EN OSORIO ARIAS & ALVAREZ SILVA, 2006 .................................................................... 11
FIGURA 1.2. TEMPERATURA EN LA SUPERFICIE DEL OCÉANO PACIFICO – COSTAS DE PERÚ.                                                     FUENTE:
     NATIONAL OCEANIC AND ATMOSPHERIC ADMINISTRATION, 2012. ............................................................ 11
FIGURA 1.3. PERFILES TÍPICOS DE DENSIDAD/PROFUNDIDAD A DISTINTAS LATITUDES.                                                      FUENTE: OSORIO
     ARIAS & ALVAREZ SILVA, 2006 .......................................................................................................... 13
FIGURA 1.4. TENSIÓN SUPERFICIAL.                                                                                    FUENTE: MARINA NUÑEZ,
     2012. ............................................................................................................................................ 15
FIGURA 1.5. REFRACCIÓN Y REFLEXIÓN DEL SONIDO.                                                                          FUENTE: CIFUENTES
     LEMUS ET AL., 2012 ......................................................................................................................... 17
FIGURA 1.6. OCÉANO PACÍFICO 39° N 46° W. (A): PERFILES DE SALINIDAD Y TEMPERATURA; (B): CORRECCIONES A LA
     VELOCIDAD DEL SONIDO DEBIDAS A LA SALINIDAD, TEMPERATURA Y PRESIÓN; (C): VELOCIDAD RESULTANTE DEL
     SONIDO. FUENTE: PICKARD, 1982 EN OSORIO ARIAS & ALVAREZ SILVA, 2006. ........................................... 19
FIGURA 1.7. DISCO DE SECCHI.                                                                                  FUENTE: CIFUENTES LEMUS ET
     AL., 2012. ...................................................................................................................................... 20
FIGURA 1.8. ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO Y LA TRANSMISIÓN DE LUZ EN EL AGUA.                                                         FUENTE: LIZANO
     R., 2012. ....................................................................................................................................... 21
FIGURA 1.9. VARIACIÓN DE SALINIDAD, TEMPERATURA Y DENSIDAD DEL AGUA DE SUPERFICIE CON LA LATITUD. FUENTE:
     PICKARD, 1982 EN OSORIO ARIAS & ALVAREZ SILVA, 2006. ................................................................... 22




                                                                                                                                                       V
CAPÍTULO 1: PROPIEDADES DEL AGUA DE MAR




1.    INTRODUCCIÓN


      El agua del mar es una solución de sales, por lo que sus propiedades

      físicas son muy diferentes de las del agua dulce y varían de acuerdo

      con la cantidad de sales que contenga. Por la gran complejidad que

      presenta el agua del mar en su composición, y debido a su riqueza en

      seres vivos, sustancias inorgánicas en suspensión y gases disueltos,

      algunos autores la describen como “una sopa turbia de seres vivos”.




2.    COMPOSICIÓN DEL AGUA DEL MAR


      El agua de mar es una disolución en agua (H2O) de muy diversas

      sustancias. Hasta los 2/3 de los elementos químicos naturales están

      presentes en el agua de mar, aunque la mayoría sólo como trazas.

      Seis componentes, todos ellos iones, dan cuenta de más del 99% de

      la composición de solutos.



                                                                            6
Aniones                           Cationes
                Cloruro (Cl -)      55.07         Sodio (Na+)           30.62

                Sulfato (SO42-)     7.72          Magnesio (Mg++) 3.68

                Bicarbonato
                                    0.4           Calcio (Ca++)         1.18
                (HCO3-)
                Bromuro (Br-)       0.19          Potasio (K+)          1.1
                Flúor (F-)          0.01          Estroncio (Sr++)      0.02
                                                  Ácido bórico
                   Molécula no disociada                                0.01
                                                  (H3BO3)


       Tabla 1.1. Composición de solutos sólidos del agua del mar, cada uno expresado como
                  porcentaje del total. Fuente: Osorio Arias & Alvarez Silva, 2006.




     Cabe resaltar, que la tabla anteriormente presentada únicamente es

     una idealización de los componentes encontrados en cantidades más

     o menos constantes en diferentes ensayos.




3.   SALINIDAD


     La salinidad está dada, principalmente, por los cloruros, sulfatos y

     carbonatos que se encuentran disueltos en el agua del mar, y su

     distribución no es uniforme ni constante, varía de un lugar a otro,

     tanto en dirección horizontal, como en vertical, e incluso sufre

     oscilaciones en un mismo punto del océano, con el transcurso del

     tiempo.
El factor fundamental que determina las variaciones de salinidad en

un área marítima concreta es la pérdida o ganancia de agua.



Idealmente, la salinidad debe ser la suma de todas las sales disueltas

en gramos por el kilogramo de agua de mar. La salinidad media del

océano es de 35 gramos de sales por kg de agua de mar, es decir,

S=35 ppm (partes por mil).



La salinidad absoluta (SA), está en base a una relación entre la

clorinidad y la salinidad. En 1969, los Científicos de las Naciones

Unidas, organización educacional, científico y cultural (UNESCO)

introdujeron esta nueva definición:




La salinidad práctica (S),con el desarrollo de nuevas técnicas para

determinar la salinidad      a partir de medidas de conductividad,

temperatura y presión, en 1978, el Practical Salinity Scale, define la

salinidad en términos de una razón o cociente de conductividades.



Entonces, la salinidad de una muestra de agua de mar, se define en

términos de la razón, K de la conductividad eléctrica de una muestra

de agua de mar a T = 15°C y a la presión de una atmósfera estándar

(P = 1 atm), a la de una solución del cloruro de potasio (KCl), en la
cual la fracción de masa total de KCl es de 0.0324356, a la misma

temperatura y presión. El valor de K igual a uno corresponde

exactamente, por definición, a una salinidad práctica igual a 35.




Se puede observar, que en esta definición, la salinidad es un cociente

y el símbolo        resulta innecesario. El antiguo valor de 35

corresponde al valor de 35 en la salinidad práctica.




3.1 CONDUCTIVIDAD ELECTRICA


La conductividad eléctrica es la capacidad que tiene una sustancia

para transmitir corriente a través de ella.



La presencia de una gran variedad de iones es lo que hace que el

agua de mar sea un buen conductor de la electricidad, a diferencia del

agua pura. Los iones conducen la corriente eléctrica fácilmente. La

conductividad se incrementa directamente en función a la salinidad,

es decir, mientras más iones se encuentren en una solución, mayor

será la conductividad y la salinidad.
4.   TEMPERATURA


     La temperatura tiene un gran poder termo estabilizante en el mar,

     depende de la cantidad de radiación solar que reciba y refleje.

     Además, tiene gran influencia en las propiedades físicas de:

     densidad, viscosidad, tensión superficial, módulo de elasticidad,

     velocidad del sonido.



     Las características térmicas del agua del mar influyen sobre otras de

     sus propiedades, y se puede destacar que la temperatura interviene

     directamente en el establecimiento de la distribución de las masas de

     agua en el océano, por cambios de la densidad, disponiéndose las

     menos densas y calientes arriba y las más densas y frías abajo.



     Otro ejemplo de la relación de la temperatura con las características

     del océano consiste en que las sales disueltas en el agua del mar

     hacen descender su temperatura de congelación, evitando que una

     gran parte de ella, cuya temperatura es inferior a 0°C, se congele y

     pase al estado sólido, y gracias a esto se van llenando poco a poco

     las cuencas oceánicas.



     La temperatura se expresa siempre en la escala Celsius (°C), varía

     entre - 2°C (Aguas polares) y 42°C (en aguas costeras someras). En

     tierra, la temperatura tiene un rango de – 68°C (Siberia, 1892) hasta

     los 58°C (Libia, 1922).
Figura 1.1. Perfiles Típicos de Temperatura/Profundidad a Distintas Latitudes.
         Fuente: Pickard, 1982 en Osorio Arias & Alvarez Silva, 2006




Figura 1.2. Temperatura en la Superficie del Océano Pacifico – Costas de Perú.
        Fuente:National Oceanic and Atmospheric Administration, 2012.
5.   DENSIDAD


     La densidad del agua del mar consiste en su peso derivado de la

     cantidad de masa de sales por unidad de volumen de agua, por lo que

     es directamente proporcional a su salinidad, ya que a mayor cantidad

     de sales, existe una masa superior por unidad de volumen de agua;

     en cambio, es inversamente proporcional a la temperatura siendo, a

     mayor temperatura, la densidad menor.



     La densidad también puede variar con la profundidad, por lo que se

     encuentra una estratificación del agua del mar, es decir, se presenta

     una separación horizontal de las capas de agua de diferente

     densidad.     Si   la    densidad       aumenta   con   la   profundidad,   la

     estratificación será estable debido a que las capas más pesadas

     quedan en el fondo; pero si disminuye con la profundidad, la

     estratificación será inestable, y puede cambiar totalmente por los

     movimientos del océano al hundirse las capas pesadas que están en

     la superficie.



     La densidad oscila entre 1021 kg/m 3 en la superficie y los 1070 kg/m3

     a 10000 m de profundidad. Por conveniencia, es usual expresar sólo

     la cantidad             definida por:
Figura 1.3. Perfiles Típicos de Densidad/Profundidad a Distintas Latitudes.
                            Fuente: Osorio Arias & Alvarez Silva, 2006




6.   VISCOSIDAD


     La viscosidad se define físicamente como: “la facilidad con que puede

     intercambiarse energía cinética entre moléculas adyacentes”, esto es

     debido a la fricción interna que existe entre las moléculas de un fluido.




      : Coeficiente de viscosidad dinámica



      : Coeficiente de viscosidad cinemática
La viscosidad es afectada por dos variables: temperatura y salinidad.

La viscosidad del agua aumenta con la salinidad, pero es más

afectada por la disminución en temperatura, tal como se muestra en la

siguiente tabla:



                   Temp.              Viscosidad             Viscosidad
                      o
                                       S = 0 o⁄oo            S = 35 o⁄oo
                          C
                                       10-6 m2/s             10-6 m2/s
                      5                  1.519                 1.607
                      6                  1.472                 1.561
                      7                  1.428                 1.516
                      8                  1.386                 1.474
                      9                  1.346                 1.434
                      10                 1.308                 1.395
                      11                 1.272                 1.357
                      12                 1.237                 1.321
                      13                 1.204                 1.287
                      14                 1.172                 1.254
                      15                 1.141                 1.223
                      16                 1.112                 1.192
                      17                 1.084                 1.163
                      18                 1.057                 1.135
                      19                 1.031                 1.108
                      20                 1.007                 1.082
                      21                 0.983                 1.057
                      22                 0.96                  1.033
                      23                 0.938                 1.009
                      24                 0.917                 0.988
                      25                 0.896                 0.967
                      26                 0.876                 0.946


Tabla 1.2. Relación Temperatura / Viscosidad en agua dulce y agua de mar. Fuente: Osorio
                               Arias & Alvarez Silva, 2006
7.   TENSIÓN SUPERFICIAL


     La tensión superficial tiene su origen, en el desequilibrio formado en el

     contorno líquido – líquido, líquido – gas, o líquido – sólido entre las

     tensiones moleculares. El contorno se comporta como una membrana

     tensa; la deformación es proporcional a la fuerza de tracción; y, al

     coeficiente de proporcionalidad se denomina coeficiente de tensión

     superficial.



     La tensión superficial es la responsable en los océanos de la

     formación de ondas capilares sobre la superficie. Estas ondas son

     importantes en la generación y posterior desarrollo del oleaje de

     viento.




                    Figura 1.4. Tensión Superficial. Fuente:Marina Nuñez, 2012.
8.   EL SONIDO EN EL OCÉANO


     En la atmósfera, el sonido es más atenuado que la luz. En el océano,

     lo contrario, la luz más que el sonido.



     En el océano, la luz puede llegar hasta los 1000m de profundidad

     (detectado con instrumentos especiales), pero el ojo humano no lo

     detecta más allá de los 50m, por ello es que el hombre hace uso del

     sonido para obtener información del océano, y conocer el perfil del

     fondo.



     La energía sonora se propaga con facilidad en el agua, puede

     penetrar hasta las partes más profundas del océano y aún atravesar

     toda una cuenca oceánica. Si la fuente sonora es muy energética,

     también es posible penetrar las capas de sedimentos y rocas del

     fondo.



     El sonido es una onda longitudinal de propagación, donde su

     velocidad está dada por:




     Donde,       E = coeficiente de compresibilidad adiabática

                  ρ = densidad del agua.
Una expresión matemática que se usa, para que se note el tipo de

relación es:




Donde,         T = temperatura

               S = salinidad

               Z = profundidad.




                   Figura 1.5. Refracción y reflexión del sonido.
                       Fuente: Cifuentes Lemus et al., 2012
El sonido se usa para diferentes aplicaciones en el océano:



 Descripción del fondo (ecosondas).

 Descripción de la superficie (sensores de oleaje o nivel).

 Detección y descripción de objetos sumergidos flotantes (sonar).

 Descripción del tipo de material que forma el fondo (sonar de

  barrido lateral).

 Descripción de las capas profundas de los sedimentos del fondo

  (uniboom).

 Posicionamiento sumergido (transponders y responders).

 Transmisión de datos

 Medida de velocidades puntuales (ADV) y perfiladores de

  velocidades (ADP) por efecto Doppler.

 Medida de concentración de sedimentos.



Se debe tener precaución al utilizar el sonido en grandes distancias,

ya que, se refleja y refracta con los cambios de propiedades del agua.

Además,     los cambios bruscos de densidad del agua, reflejan y

refractan la señal, que a partir de un ángulo no puede penetrar.
Figura 1.6. Océano Pacífico 39° N 46° W. (A): Perfiles de salinidad y temperatura; (B):
       Correcciones a la velocidad del sonido debidas a la salinidad, temperatura y presión; (C):
     Velocidad resultante del sonido. Fuente: Pickard, 1982 en Osorio Arias & Alvarez Silva, 2006.




9.   LUZ EN EL OCÉANO


     Las propiedades físicas de la luz son: la reflexión, proceso por el que

     la superficie del agua del mar devuelve a la atmósfera una cantidad

     de luz que se transmite en el agua del mar; la absorción, o sea el

     grado de radiación retenida, y la turbidez, que consiste en la

     reducción de la claridad del agua por la presencia de materia

     suspendida.



     Las características ópticas se producen debido a que el agua del mar

     presenta cierta transparencia, es decir, la posibilidad de dejar pasar la

     luz, transparencia que cambia conforme aumenta la profundidad,

     debido a los factores anteriormente mencionados.
La transparencia del mar se mide usando un disco blanco de 30

centímetros   de   diámetro,      llamado      “Disco       de   Secchi”,   y   la

transparencia media del agua oscila entre 1 y 66 metros de

profundidad. Se ha comprobado que la transparencia es mayor para

las aguas oceánicas que para las costas, esto es, debido a las

partículas orgánicas e inorgánicas en suspensión.




                          Figura 1.7. Disco de Secchi.
                    Fuente: Cifuentes Lemus et al., 2012.




Las radiaciones que forman la luz son absorbidas por el agua del mar

y le transmiten calor. Esta absorción es selectiva y depende de la

longitud de onda de la radiación. Dentro del espectro visible, la

absorción es máxima para el rojo y mínima para el azul-verde. La

infrarroja transporta la mayor parte de la energía calorífica, y se

absorbe prácticamente en los primeros metros de agua, tal como se

muestra a continuación:
Figura 1.8. Espectro electromagnético y la transmisión de luz en el agua.
                              Fuente: Lizano R., 2012.




La luz que penetra en el océano es indispensable para que tengan

lugar los fenómenos de fotosíntesis en el interior de las aguas

marinas.
10.   DISTRIBUCION DE LA DENSIDAD, TEMPERATURA Y SALINIDAD


      A continuación se muestra un diagrama de comparación entre la

      densidad, temperatura y salinidad:




       Figura 1.9. Variación de salinidad, temperatura y densidad del agua de superficie con la
                 latitud. Fuente: Pickard, 1982 en Osorio Arias & Alvarez Silva, 2006.
11.     PRINCIPALES MASAS DE AGUA OCEÁNICAS


                 Masa de agua                         Temperatura ºC           Salinidad o/oo
                        N. Atlántica                        8 - 19              35.1 - 36.5
                        S. Atlántica                        6 - 17              34.7 - 36.0
      Sup. Central      N. Pacífica                         6 - 18              34.0 - 34.9
                        S. Pacífica                        10 - 17              34.5 - 35.6
                        Índica                              7 - 16              34.5 - 35.6
                        Atlán. Subártica                    4- 5                34.6 - 34.7
                        Pacíf. Subártica                    3 -6                33.5 - 34.4
 Sup. Altas Latitudes
                        Subantártica                        3 - 10              33.9 - 34.7
                        Ant. circumpolar                    0- 2                34.6 - 34.7
                        Ártica                              3- 5                34.7 - 34.9
                        N. pacífico                         4 - 10              34.0 - 34.5
      Intermedias       Antártica                           3- 7                33.8 - 34.7
                        Mediterránea                        6 - 12              35.3 - 36.5
                        Mar rojo                            8 - 12              35.1 - 35.7
                        N. atlántico                        2- 4                34.8 - 35.1
 Profundas y Fondo
                        Antártica                           - 0.4                  34.7

                             Tabla 1.3. Principales masas de agua oceánicas.
                                 Fuente: Osorio Arias & Alvarez Silva, 2006.
Referencias


Cifuentes Lemus, J. L., Torres-García, P., & Frías M., M. (Diciembre de
      2012). Propiedades Físicas del Agua del Mar. Obtenido de El Océano
      y sus Recursos III. Las Ciencias del Mar: Oceanografía Física,
      Matemáticas e Ingeniería:
      http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/17/h
      tm/oceano.htm

Gonzáles Alvarez, S. A. (Diciembre de 2012). El Agua de Mar: ¿Qué la hace
     tan especial para la vida? Obtenido de Un Mar de cosas por Explorar:
     http://valoraciencia.ucn.cl/guia/06-profe-aguademar.pdf

Grupo de Ingeniería Oceanográfica y de Costas. (2000). Documento de
      referencia: Dinámicas (Vol. I). Santander: Universidad de Cantabria.

Lizano R., O. G. (Diciembre de 2012). Propiedades Físicas del Agua de Mar.
      Obtenido de Topicos en Oceanografía Física:
      http://www.cimar.ucr.ac.cr/Oceonografia/capitulo4.pdf

Marina Nuñez, G. (Diciembre de 2012). Tensioactivos y objetos flotantes.
      Obtenido de Hablando de Ciencia:
      http://www.hablandodeciencia.com/articulos/2012/04/13/tensioactivos-
      tension-superficial/

National Oceanic and Atmospheric Administration. (Diciembre de 2012). Sea
      Surface Temperature (SST) Contour Charts. Obtenido de Office of
      Satellite and Product Operations:
      http://www.ospo.noaa.gov/Products/ocean/sst/contour/index.html

Osorio Arias, A. F., & Alvarez Silva, O. A. (2006). Introducción a la ingeniería
      de Costas. Medellín: Universidad Nacional de Colombia.




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Propiedades del Agua de Mar.

  • 1. Ingeniería de Recursos Hídricos Organización para un Desarrollo Sostenible “INGENIERÍA DE COSTAS” Presentado por: Bach. Ing. Luis Alexander García Cavero e-mail: lgarcia.ingc@gmail.com Sitio Web: www.ingenieriarecursoshidricos.com LIMA – PERÚ 2012
  • 3. INDICE GENERAL INDICE GENERAL ............................................................................................................................. III PROLOGO ........................................................................................................................................ IV LISTADO DE TABLAS ......................................................................................................................... V LISTADO DE FIGURAS ....................................................................................................................... V CAPÍTULO 1: PROPIEDADES DEL AGUA DE MAR ............................................................................... 6 1. INTRODUCCIÓN ............................................................................................................................ 6 2. COMPOSICIÓN DEL AGUA DEL MAR ........................................................................................................ 6 3. SALINIDAD ........................................................................................................................................ 7 3.1 CONDUCTIVIDAD ELECTRICA ........................................................................................................ 9 4. TEMPERATURA ........................................................................................................................... 10 5. DENSIDAD ...................................................................................................................................... 12 6. VISCOSIDAD .................................................................................................................................... 13 7. TENSIÓN SUPERFICIAL ................................................................................................................ 15 8. EL SONIDO EN EL OCÉANO .................................................................................................................. 16 9. LUZ EN EL OCÉANO...................................................................................................................... 19 10. DISTRIBUCION DE LA DENSIDAD, TEMPERATURA Y SALINIDAD..................................................................... 22 11. PRINCIPALES MASAS DE AGUA OCEÁNICAS ................................................................................ 23 REFERENCIAS ................................................................................................................................. 24 III
  • 4. PROLOGO El presente documento es el Capítulo 1. Propiedades del Agua de Mar, que es uno de los textos que se están elaborando, con el objetivo principal:  Ofrecer un paquete de información base, para que el usuario pueda seguir un lineamiento de estudio sobre la ingeniería de costas. El tema de Ingeniería de Costas no podría ser mejor ni más oportunamente escogido, puesto que el control de las zonas costeras y por lo tanto, las estructuras necesarias para dicho control, son tareas vinculadas desde antaño, y hoy más que nunca, al desarrollo de nuevos proyectos. En esta rama de la ingeniería, se ha venido utilizando recursos informáticos los cuales permiten resolver diferentes problemas con mayor precisión mediante cálculos analíticos, pero también es cierto, que es indispensable la experiencia y el buen criterio del ingeniero para dar dichos resultados como fiables. IV
  • 5. LISTADO DE TABLAS CAPÍTULO 1 TABLA 1.1. COMPOSICIÓN DE SOLUTOS SÓLIDOS DEL AGUA DEL MAR, CADA UNO EXPRESADO COMO PORCENTAJE DEL TOTAL. FUENTE: OSORIO ARIAS & ALVAREZ SILVA, 2006. ......................................................................... 7 TABLA 1.2. RELACIÓN TEMPERATURA / VISCOSIDAD EN AGUA DULCE Y AGUA DE MAR. FUENTE: OSORIO ARIAS & ALVAREZ SILVA, 2006 .......................................................................................................... 14 TABLA 1.3. PRINCIPALES MASAS DE AGUA OCEÁNICAS. FUENTE: OSORIO ARIAS & ALVAREZ SILVA, 2006. ...................................................................................................................... 23 LISTADO DE FIGURAS CAPÍTULO 1 FIGURA 1.1. PERFILES TÍPICOS DE TEMPERATURA/PROFUNDIDAD A DISTINTAS LATITUDES. FUENTE: PICKARD, 1982 EN OSORIO ARIAS & ALVAREZ SILVA, 2006 .................................................................... 11 FIGURA 1.2. TEMPERATURA EN LA SUPERFICIE DEL OCÉANO PACIFICO – COSTAS DE PERÚ. FUENTE: NATIONAL OCEANIC AND ATMOSPHERIC ADMINISTRATION, 2012. ............................................................ 11 FIGURA 1.3. PERFILES TÍPICOS DE DENSIDAD/PROFUNDIDAD A DISTINTAS LATITUDES. FUENTE: OSORIO ARIAS & ALVAREZ SILVA, 2006 .......................................................................................................... 13 FIGURA 1.4. TENSIÓN SUPERFICIAL. FUENTE: MARINA NUÑEZ, 2012. ............................................................................................................................................ 15 FIGURA 1.5. REFRACCIÓN Y REFLEXIÓN DEL SONIDO. FUENTE: CIFUENTES LEMUS ET AL., 2012 ......................................................................................................................... 17 FIGURA 1.6. OCÉANO PACÍFICO 39° N 46° W. (A): PERFILES DE SALINIDAD Y TEMPERATURA; (B): CORRECCIONES A LA VELOCIDAD DEL SONIDO DEBIDAS A LA SALINIDAD, TEMPERATURA Y PRESIÓN; (C): VELOCIDAD RESULTANTE DEL SONIDO. FUENTE: PICKARD, 1982 EN OSORIO ARIAS & ALVAREZ SILVA, 2006. ........................................... 19 FIGURA 1.7. DISCO DE SECCHI. FUENTE: CIFUENTES LEMUS ET AL., 2012. ...................................................................................................................................... 20 FIGURA 1.8. ESPECTRO ELECTROMAGNÉTICO Y LA TRANSMISIÓN DE LUZ EN EL AGUA. FUENTE: LIZANO R., 2012. ....................................................................................................................................... 21 FIGURA 1.9. VARIACIÓN DE SALINIDAD, TEMPERATURA Y DENSIDAD DEL AGUA DE SUPERFICIE CON LA LATITUD. FUENTE: PICKARD, 1982 EN OSORIO ARIAS & ALVAREZ SILVA, 2006. ................................................................... 22 V
  • 6. CAPÍTULO 1: PROPIEDADES DEL AGUA DE MAR 1. INTRODUCCIÓN El agua del mar es una solución de sales, por lo que sus propiedades físicas son muy diferentes de las del agua dulce y varían de acuerdo con la cantidad de sales que contenga. Por la gran complejidad que presenta el agua del mar en su composición, y debido a su riqueza en seres vivos, sustancias inorgánicas en suspensión y gases disueltos, algunos autores la describen como “una sopa turbia de seres vivos”. 2. COMPOSICIÓN DEL AGUA DEL MAR El agua de mar es una disolución en agua (H2O) de muy diversas sustancias. Hasta los 2/3 de los elementos químicos naturales están presentes en el agua de mar, aunque la mayoría sólo como trazas. Seis componentes, todos ellos iones, dan cuenta de más del 99% de la composición de solutos. 6
  • 7. Aniones Cationes Cloruro (Cl -) 55.07 Sodio (Na+) 30.62 Sulfato (SO42-) 7.72 Magnesio (Mg++) 3.68 Bicarbonato 0.4 Calcio (Ca++) 1.18 (HCO3-) Bromuro (Br-) 0.19 Potasio (K+) 1.1 Flúor (F-) 0.01 Estroncio (Sr++) 0.02 Ácido bórico Molécula no disociada 0.01 (H3BO3) Tabla 1.1. Composición de solutos sólidos del agua del mar, cada uno expresado como porcentaje del total. Fuente: Osorio Arias & Alvarez Silva, 2006. Cabe resaltar, que la tabla anteriormente presentada únicamente es una idealización de los componentes encontrados en cantidades más o menos constantes en diferentes ensayos. 3. SALINIDAD La salinidad está dada, principalmente, por los cloruros, sulfatos y carbonatos que se encuentran disueltos en el agua del mar, y su distribución no es uniforme ni constante, varía de un lugar a otro, tanto en dirección horizontal, como en vertical, e incluso sufre oscilaciones en un mismo punto del océano, con el transcurso del tiempo.
  • 8. El factor fundamental que determina las variaciones de salinidad en un área marítima concreta es la pérdida o ganancia de agua. Idealmente, la salinidad debe ser la suma de todas las sales disueltas en gramos por el kilogramo de agua de mar. La salinidad media del océano es de 35 gramos de sales por kg de agua de mar, es decir, S=35 ppm (partes por mil). La salinidad absoluta (SA), está en base a una relación entre la clorinidad y la salinidad. En 1969, los Científicos de las Naciones Unidas, organización educacional, científico y cultural (UNESCO) introdujeron esta nueva definición: La salinidad práctica (S),con el desarrollo de nuevas técnicas para determinar la salinidad a partir de medidas de conductividad, temperatura y presión, en 1978, el Practical Salinity Scale, define la salinidad en términos de una razón o cociente de conductividades. Entonces, la salinidad de una muestra de agua de mar, se define en términos de la razón, K de la conductividad eléctrica de una muestra de agua de mar a T = 15°C y a la presión de una atmósfera estándar (P = 1 atm), a la de una solución del cloruro de potasio (KCl), en la
  • 9. cual la fracción de masa total de KCl es de 0.0324356, a la misma temperatura y presión. El valor de K igual a uno corresponde exactamente, por definición, a una salinidad práctica igual a 35. Se puede observar, que en esta definición, la salinidad es un cociente y el símbolo resulta innecesario. El antiguo valor de 35 corresponde al valor de 35 en la salinidad práctica. 3.1 CONDUCTIVIDAD ELECTRICA La conductividad eléctrica es la capacidad que tiene una sustancia para transmitir corriente a través de ella. La presencia de una gran variedad de iones es lo que hace que el agua de mar sea un buen conductor de la electricidad, a diferencia del agua pura. Los iones conducen la corriente eléctrica fácilmente. La conductividad se incrementa directamente en función a la salinidad, es decir, mientras más iones se encuentren en una solución, mayor será la conductividad y la salinidad.
  • 10. 4. TEMPERATURA La temperatura tiene un gran poder termo estabilizante en el mar, depende de la cantidad de radiación solar que reciba y refleje. Además, tiene gran influencia en las propiedades físicas de: densidad, viscosidad, tensión superficial, módulo de elasticidad, velocidad del sonido. Las características térmicas del agua del mar influyen sobre otras de sus propiedades, y se puede destacar que la temperatura interviene directamente en el establecimiento de la distribución de las masas de agua en el océano, por cambios de la densidad, disponiéndose las menos densas y calientes arriba y las más densas y frías abajo. Otro ejemplo de la relación de la temperatura con las características del océano consiste en que las sales disueltas en el agua del mar hacen descender su temperatura de congelación, evitando que una gran parte de ella, cuya temperatura es inferior a 0°C, se congele y pase al estado sólido, y gracias a esto se van llenando poco a poco las cuencas oceánicas. La temperatura se expresa siempre en la escala Celsius (°C), varía entre - 2°C (Aguas polares) y 42°C (en aguas costeras someras). En tierra, la temperatura tiene un rango de – 68°C (Siberia, 1892) hasta los 58°C (Libia, 1922).
  • 11. Figura 1.1. Perfiles Típicos de Temperatura/Profundidad a Distintas Latitudes. Fuente: Pickard, 1982 en Osorio Arias & Alvarez Silva, 2006 Figura 1.2. Temperatura en la Superficie del Océano Pacifico – Costas de Perú. Fuente:National Oceanic and Atmospheric Administration, 2012.
  • 12. 5. DENSIDAD La densidad del agua del mar consiste en su peso derivado de la cantidad de masa de sales por unidad de volumen de agua, por lo que es directamente proporcional a su salinidad, ya que a mayor cantidad de sales, existe una masa superior por unidad de volumen de agua; en cambio, es inversamente proporcional a la temperatura siendo, a mayor temperatura, la densidad menor. La densidad también puede variar con la profundidad, por lo que se encuentra una estratificación del agua del mar, es decir, se presenta una separación horizontal de las capas de agua de diferente densidad. Si la densidad aumenta con la profundidad, la estratificación será estable debido a que las capas más pesadas quedan en el fondo; pero si disminuye con la profundidad, la estratificación será inestable, y puede cambiar totalmente por los movimientos del océano al hundirse las capas pesadas que están en la superficie. La densidad oscila entre 1021 kg/m 3 en la superficie y los 1070 kg/m3 a 10000 m de profundidad. Por conveniencia, es usual expresar sólo la cantidad definida por:
  • 13. Figura 1.3. Perfiles Típicos de Densidad/Profundidad a Distintas Latitudes. Fuente: Osorio Arias & Alvarez Silva, 2006 6. VISCOSIDAD La viscosidad se define físicamente como: “la facilidad con que puede intercambiarse energía cinética entre moléculas adyacentes”, esto es debido a la fricción interna que existe entre las moléculas de un fluido. : Coeficiente de viscosidad dinámica : Coeficiente de viscosidad cinemática
  • 14. La viscosidad es afectada por dos variables: temperatura y salinidad. La viscosidad del agua aumenta con la salinidad, pero es más afectada por la disminución en temperatura, tal como se muestra en la siguiente tabla: Temp. Viscosidad Viscosidad o S = 0 o⁄oo S = 35 o⁄oo C 10-6 m2/s 10-6 m2/s 5 1.519 1.607 6 1.472 1.561 7 1.428 1.516 8 1.386 1.474 9 1.346 1.434 10 1.308 1.395 11 1.272 1.357 12 1.237 1.321 13 1.204 1.287 14 1.172 1.254 15 1.141 1.223 16 1.112 1.192 17 1.084 1.163 18 1.057 1.135 19 1.031 1.108 20 1.007 1.082 21 0.983 1.057 22 0.96 1.033 23 0.938 1.009 24 0.917 0.988 25 0.896 0.967 26 0.876 0.946 Tabla 1.2. Relación Temperatura / Viscosidad en agua dulce y agua de mar. Fuente: Osorio Arias & Alvarez Silva, 2006
  • 15. 7. TENSIÓN SUPERFICIAL La tensión superficial tiene su origen, en el desequilibrio formado en el contorno líquido – líquido, líquido – gas, o líquido – sólido entre las tensiones moleculares. El contorno se comporta como una membrana tensa; la deformación es proporcional a la fuerza de tracción; y, al coeficiente de proporcionalidad se denomina coeficiente de tensión superficial. La tensión superficial es la responsable en los océanos de la formación de ondas capilares sobre la superficie. Estas ondas son importantes en la generación y posterior desarrollo del oleaje de viento. Figura 1.4. Tensión Superficial. Fuente:Marina Nuñez, 2012.
  • 16. 8. EL SONIDO EN EL OCÉANO En la atmósfera, el sonido es más atenuado que la luz. En el océano, lo contrario, la luz más que el sonido. En el océano, la luz puede llegar hasta los 1000m de profundidad (detectado con instrumentos especiales), pero el ojo humano no lo detecta más allá de los 50m, por ello es que el hombre hace uso del sonido para obtener información del océano, y conocer el perfil del fondo. La energía sonora se propaga con facilidad en el agua, puede penetrar hasta las partes más profundas del océano y aún atravesar toda una cuenca oceánica. Si la fuente sonora es muy energética, también es posible penetrar las capas de sedimentos y rocas del fondo. El sonido es una onda longitudinal de propagación, donde su velocidad está dada por: Donde, E = coeficiente de compresibilidad adiabática ρ = densidad del agua.
  • 17. Una expresión matemática que se usa, para que se note el tipo de relación es: Donde, T = temperatura S = salinidad Z = profundidad. Figura 1.5. Refracción y reflexión del sonido. Fuente: Cifuentes Lemus et al., 2012
  • 18. El sonido se usa para diferentes aplicaciones en el océano:  Descripción del fondo (ecosondas).  Descripción de la superficie (sensores de oleaje o nivel).  Detección y descripción de objetos sumergidos flotantes (sonar).  Descripción del tipo de material que forma el fondo (sonar de barrido lateral).  Descripción de las capas profundas de los sedimentos del fondo (uniboom).  Posicionamiento sumergido (transponders y responders).  Transmisión de datos  Medida de velocidades puntuales (ADV) y perfiladores de velocidades (ADP) por efecto Doppler.  Medida de concentración de sedimentos. Se debe tener precaución al utilizar el sonido en grandes distancias, ya que, se refleja y refracta con los cambios de propiedades del agua. Además, los cambios bruscos de densidad del agua, reflejan y refractan la señal, que a partir de un ángulo no puede penetrar.
  • 19. Figura 1.6. Océano Pacífico 39° N 46° W. (A): Perfiles de salinidad y temperatura; (B): Correcciones a la velocidad del sonido debidas a la salinidad, temperatura y presión; (C): Velocidad resultante del sonido. Fuente: Pickard, 1982 en Osorio Arias & Alvarez Silva, 2006. 9. LUZ EN EL OCÉANO Las propiedades físicas de la luz son: la reflexión, proceso por el que la superficie del agua del mar devuelve a la atmósfera una cantidad de luz que se transmite en el agua del mar; la absorción, o sea el grado de radiación retenida, y la turbidez, que consiste en la reducción de la claridad del agua por la presencia de materia suspendida. Las características ópticas se producen debido a que el agua del mar presenta cierta transparencia, es decir, la posibilidad de dejar pasar la luz, transparencia que cambia conforme aumenta la profundidad, debido a los factores anteriormente mencionados.
  • 20. La transparencia del mar se mide usando un disco blanco de 30 centímetros de diámetro, llamado “Disco de Secchi”, y la transparencia media del agua oscila entre 1 y 66 metros de profundidad. Se ha comprobado que la transparencia es mayor para las aguas oceánicas que para las costas, esto es, debido a las partículas orgánicas e inorgánicas en suspensión. Figura 1.7. Disco de Secchi. Fuente: Cifuentes Lemus et al., 2012. Las radiaciones que forman la luz son absorbidas por el agua del mar y le transmiten calor. Esta absorción es selectiva y depende de la longitud de onda de la radiación. Dentro del espectro visible, la absorción es máxima para el rojo y mínima para el azul-verde. La infrarroja transporta la mayor parte de la energía calorífica, y se absorbe prácticamente en los primeros metros de agua, tal como se muestra a continuación:
  • 21. Figura 1.8. Espectro electromagnético y la transmisión de luz en el agua. Fuente: Lizano R., 2012. La luz que penetra en el océano es indispensable para que tengan lugar los fenómenos de fotosíntesis en el interior de las aguas marinas.
  • 22. 10. DISTRIBUCION DE LA DENSIDAD, TEMPERATURA Y SALINIDAD A continuación se muestra un diagrama de comparación entre la densidad, temperatura y salinidad: Figura 1.9. Variación de salinidad, temperatura y densidad del agua de superficie con la latitud. Fuente: Pickard, 1982 en Osorio Arias & Alvarez Silva, 2006.
  • 23. 11. PRINCIPALES MASAS DE AGUA OCEÁNICAS Masa de agua Temperatura ºC Salinidad o/oo N. Atlántica 8 - 19 35.1 - 36.5 S. Atlántica 6 - 17 34.7 - 36.0 Sup. Central N. Pacífica 6 - 18 34.0 - 34.9 S. Pacífica 10 - 17 34.5 - 35.6 Índica 7 - 16 34.5 - 35.6 Atlán. Subártica 4- 5 34.6 - 34.7 Pacíf. Subártica 3 -6 33.5 - 34.4 Sup. Altas Latitudes Subantártica 3 - 10 33.9 - 34.7 Ant. circumpolar 0- 2 34.6 - 34.7 Ártica 3- 5 34.7 - 34.9 N. pacífico 4 - 10 34.0 - 34.5 Intermedias Antártica 3- 7 33.8 - 34.7 Mediterránea 6 - 12 35.3 - 36.5 Mar rojo 8 - 12 35.1 - 35.7 N. atlántico 2- 4 34.8 - 35.1 Profundas y Fondo Antártica - 0.4 34.7 Tabla 1.3. Principales masas de agua oceánicas. Fuente: Osorio Arias & Alvarez Silva, 2006.
  • 24. Referencias Cifuentes Lemus, J. L., Torres-García, P., & Frías M., M. (Diciembre de 2012). Propiedades Físicas del Agua del Mar. Obtenido de El Océano y sus Recursos III. Las Ciencias del Mar: Oceanografía Física, Matemáticas e Ingeniería: http://bibliotecadigital.ilce.edu.mx/sites/ciencia/volumen1/ciencia2/17/h tm/oceano.htm Gonzáles Alvarez, S. A. (Diciembre de 2012). El Agua de Mar: ¿Qué la hace tan especial para la vida? Obtenido de Un Mar de cosas por Explorar: http://valoraciencia.ucn.cl/guia/06-profe-aguademar.pdf Grupo de Ingeniería Oceanográfica y de Costas. (2000). Documento de referencia: Dinámicas (Vol. I). Santander: Universidad de Cantabria. Lizano R., O. G. (Diciembre de 2012). Propiedades Físicas del Agua de Mar. Obtenido de Topicos en Oceanografía Física: http://www.cimar.ucr.ac.cr/Oceonografia/capitulo4.pdf Marina Nuñez, G. (Diciembre de 2012). Tensioactivos y objetos flotantes. Obtenido de Hablando de Ciencia: http://www.hablandodeciencia.com/articulos/2012/04/13/tensioactivos- tension-superficial/ National Oceanic and Atmospheric Administration. (Diciembre de 2012). Sea Surface Temperature (SST) Contour Charts. Obtenido de Office of Satellite and Product Operations: http://www.ospo.noaa.gov/Products/ocean/sst/contour/index.html Osorio Arias, A. F., & Alvarez Silva, O. A. (2006). Introducción a la ingeniería de Costas. Medellín: Universidad Nacional de Colombia. 24