Midiendo la Fuerza del Hielo Marino con Datos de Olas

La Zona de Hielo Marginal es un área cambiante donde el océano, la atmósfera, las olas y el hielo marino se juntan. Las olas son importantes en este sistema, pero no tenemos suficiente información sobre las propiedades del hielo marino. Este estudio tiene como objetivo averiguar el grosor y la resistencia del hielo utilizando datos de olas recolectados de sensores en el hielo.

Para hacer esto, usamos tres sensores económicos llamados Geófonos, que se colocaron en un triángulo a unos 200 metros de distancia en hielo estable. Nos fijamos bien en tres eventos principales de olas, cada uno mostrando un patrón de vibraciones de alta frecuencia seguido por olas de menor frecuencia. Las vibraciones iniciales de alta frecuencia tenían una frecuencia de alrededor de 10 Hz, mientras que las olas de menor frecuencia iban de 0.08 a 0.28 Hz. A partir de la velocidad de las vibraciones iniciales de alta frecuencia, estimamos la resistencia del hielo entre 4 y 4.5 gigapascales (GPa).

Comparando cuándo llegaron las olas de menor frecuencia a los geófonos y cómo se comportan las olas en el hielo delgado, estimamos la resistencia del hielo entre 0.4 y 0.7 GPa. Esto es similar a los 0.5 GPa medidos con otros métodos, pero mucho más bajo que el valor habitual de 5.5 GPa utilizado en modelos de olas. No pudimos obtener mediciones separadas para el grosor y la resistencia del hielo solo con las olas de menor frecuencia, ya que afectan los patrones de olas de maneras similares. Solo pudimos diferenciarlos al observar olas de mayor frecuencia, como las causadas por el hielo agrietado.

Nuestra investigación sugiere que estos sensores también pueden usarse para medir las propiedades del hielo marino en grandes capas de hielo. Al obtener mejores datos sobre las propiedades del hielo marino, podemos entender mejor las interacciones entre olas e hielo.

#Comportamiento de las olas en la Zona de Hielo Marginal

Las olas pueden viajar cientos de kilómetros en el hielo marino antes de perder la mayor parte de su energía debido a la dispersión y otros procesos, como la turbulencia y las colisiones de hielo. La cantidad de energía perdida depende de las propiedades del hielo; en general, el hielo más grueso y grande lleva a una mayor pérdida de energía. Cuando las olas se vuelven lo suficientemente pronunciadas, pueden romper el hielo, lo que reduce su capacidad para absorber energía de las olas y permite que las olas penetren más, aumentando el ancho de la Zona de Hielo Marginal.

La inclinación de las olas también puede cambiar al entrar en el hielo, haciendo que las olas más pequeñas pierdan altura y pendiente. Cómo interaccionan las olas y el hielo en nuestros modelos depende de nuestra comprensión del comportamiento de las olas en relación con el hielo.

Hay muchas teorías y modelos sobre cómo interactúan las olas y el hielo, pero dependen de conocer las propiedades del hielo. Algunas de estas propiedades incluyen el Grosor del hielo, su resistencia y la rugosidad de la superficie. Sin embargo, hay una cantidad limitada de datos del mundo real para validar estas teorías y modelos porque medir las olas y el hielo en esta área es complicado.

Medir las olas y las propiedades del hielo en la Zona de Hielo Marginal es un reto debido al entorno duro y a los problemas logísticos. Aun así, hemos avanzado en medir las propiedades de las olas gracias a los avances en instrumentos de bajo costo y datos satelitales, que proporcionan más observaciones de olas. Sin embargo, obtener información concreta sobre las propiedades del hielo marino sigue siendo limitado, excepto por estimaciones de grosor de los satélites, que son menos precisas para el hielo más grueso.

La resistencia del hielo, que indica cuánto estrés puede soportar el hielo antes de deformarse, no está bien documentada en relación con los estudios de interacción ola-hielo. Se calcula como la relación entre el estrés y la deformación cuando el hielo se comporta de manera elástica. Sin embargo, durante aplicaciones prácticas, el hielo a menudo no actúa de forma pura elástica porque muestra reacciones retardadas bajo ciertas condiciones. Los valores esperados para la resistencia del hielo están entre 1 y 5 GPa, pero la mayoría de los estudios utilizan un valor predeterminado de 5.5 GPa, lo que puede crear problemas. Usar este valor predeterminado en modelos puede ocultar el verdadero comportamiento de las olas y el hielo y llevar a incertidumbres en las predicciones del modelo, como el ancho de la Zona de Hielo Marginal.

La mayoría de los métodos tradicionales para medir las propiedades del hielo marino pueden ser laboriosos, como tomar muestras de hielo o realizar pruebas de voladizo. Lo ideal sería reunir información sobre las propiedades del hielo utilizando despliegues de sensores a largo plazo sin necesidad de presencia humana constante. Por ejemplo, los investigadores pueden medir la distribución de los témpanos de hielo utilizando cámaras estéreo o el grosor del hielo con boyas especiales.

Sin embargo, medir las propiedades mecánicas del hielo sin interacción física es más complicado. La resistencia del hielo marino puede estimarse según la velocidad a la que las olas viajan a través de él, pero esto normalmente requiere desplegar múltiples sensores, lo que puede ser caro.

Algunos estudios han usado con éxito fuentes pasivas como acelerómetros para estimar el grosor y la resistencia del hielo a partir de olas de gravedad, pero estos métodos necesitan que esas olas estén presentes y pueden fallar si el hielo está roto.

En nuestro estudio, buscamos recuperar propiedades del hielo marino observando olas pasivas usando geófonos.

#Configuración Experimental

Llevamos a cabo nuestro estudio en Tempelfjorden, Svalbard, donde desplegamos tres registradores de geófonos, un hidrófono y cuatro boyas de olas-hielo. El experimento se realizó del 11 al 28 de febrero de 2022. Las boyas de hielo midieron las olas del océano, mientras que los geófonos monitorearon las vibraciones en el hielo marino.

Los geófonos registraron vibraciones a alta frecuencia, mientras que el hidrófono capturó sonidos de eventos en el hielo bajo el agua. Colocamos los geófonos en línea cerca del lado del glaciar del fiordo.

Se registró el grosor del hielo cerca de las boyas cuando las desplegamos, mostrando grosores de 35, 40, 47 y 52 cm. El grosor del hielo se mantuvo relativamente estable durante nuestro experimento. Las temperaturas del aire en el área variaron de -27 a -5 grados Celsius.

#Registrador de Geófonos

Para este proyecto, diseñamos un registrador de geófonos personalizado para capturar las vibraciones del hielo marino. Aunque hay muchos diseños de bajo costo disponibles, creamos uno adaptado a nuestras necesidades. Nuestro registrador podía grabar cinco canales de datos analógicos de forma continua a una tasa de muestreo de 1000 Hz, incluyendo marcas de tiempo para alta precisión temporal usando sincronización GPS.

El hardware incluía un microcontrolador, un dispositivo de almacenamiento para datos grabados, un GPS para la temporización, amplificadores de señal y los geófonos en sí. Todos los diseños e información de programación son de código abierto.

Usamos un tipo específico de geófono que responde bien a las frecuencias que nos interesaban. Aunque no calibramos los geófonos, su información de fase se mantuvo precisa.

#Módulo Elástico

Para comparar nuestras estimaciones de la resistencia del hielo, también realizamos experimentos de voladizo in situ. Las oscilaciones naturales de una viga hecha de hielo marino dependen de su resistencia. Cortamos una viga del hielo marino cerca del borde del fiordo y medimos sus propiedades.

Usando un acelerómetro especial, probamos la respuesta de la viga saltando sobre ella. Encontramos la frecuencia natural de las oscilaciones, lo que nos ayudó a estimar la resistencia del hielo.

#Análisis de Datos

Para encontrar de dónde venían las vibraciones y qué tan rápido se movían, examinamos los tiempos de llegada de las vibraciones en los geófonos. Al conocer la velocidad de las olas, pudimos determinar la fuente de los eventos de vibración usando solo tres geófonos en lugar de cuatro, que es lo típico.

Nos enfocamos en tres eventos significativos de olas registrados el 18, 21 y 22 de febrero. Estos eventos mostraron patrones similares, con vibraciones de alta frecuencia seguidas por olas de baja frecuencia.

A lo largo del experimento, correlacionamos cruzadamente los datos entre los geófonos para estimar la velocidad de las vibraciones iniciales. Las vibraciones iniciales eran probablemente ondas de compresión del glaciar, que no siguieron los patrones de dispersión esperados de las olas en el hielo.

A medida que las olas de baja frecuencia que siguieron mostraban un comportamiento dispersivo, computamos sus propiedades usando diferentes enfoques matemáticos, lo que nos permitió ajustar nuestros datos a un modelo de cómo viajan las olas en el hielo.

Nos enfocamos en tres eventos principales donde las vibraciones fueron notadas por los tres geófonos. Examinamos los datos de series temporales de los geófonos y los comparamos con los datos del hidrófono para saber más sobre los eventos.

#Resultados

A partir de nuestras mediciones, estimamos la resistencia del hielo entre 0.4 y 0.7 GPa, mientras que las mediciones de vibraciones de alta frecuencia sugirieron un valor de alrededor de 1.4 GPa. La primera estimación parece más fiable porque utilizó más datos para el ajuste.

En nuestro análisis, notamos una mayor incertidumbre en la dirección de las fuentes de vibración para frecuencias más altas, lo que afectó nuestras estimaciones de las propiedades del hielo. También notamos que las condiciones del hielo, como la temperatura, podrían influir en nuestras mediciones.

Nuestro estudio mostró que los geófonos de menor costo pueden usarse de hecho para medir las propiedades del hielo marino sin necesidad de intervención humana. Con observaciones más consistentes, podemos obtener una mejor comprensión de cómo interactúan las olas y el hielo.

#Limitaciones y Recomendaciones Futuras

Aunque nuestro estudio pudo estimar propiedades del hielo, tuvo algunas limitaciones. Supusimos que nuestro modelo matemático para la dispersión de ondas en el hielo era válido, y nuestras observaciones se centraron principalmente en eventos relacionados con el desprendimiento de glaciares.

Cuando las olas se desarrollan en aguas abiertas y pasan por diferentes tipos de hielo marino, se complica la estimación de las propiedades debido al impacto variado del hielo en el comportamiento de las olas. Por ello, medir las propiedades podría requerir métodos alternativos o configuraciones mejoradas.

Sugerimos usar más geófonos en experimentos futuros para mejorar la precisión de nuestras estimaciones. Desarrollar más el registrador de geófonos podría permitir el seguimiento automático de eventos significativos de vibración, mejorando los esfuerzos de recolección de datos futuros.

#Conclusión

En resumen, logramos estimar con éxito la resistencia y el grosor del hielo marino a partir de observaciones de olas pasivas, revelando datos interesantes sobre el comportamiento del hielo y las olas. Nuestras estimaciones sugieren que los valores predeterminados comúnmente utilizados en modelos ola-hielo podrían llevar a inexactitudes significativas. Se necesitan más experimentos de campo para seguir mejorando nuestra comprensión de la dinámica del hielo y las interacciones de las olas. Con los avances en tecnología, esperamos recopilar más datos y refinar nuestros modelos para hacer mejores predicciones relacionadas con el comportamiento del hielo marino.