“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

Organización para un Desarrollo Sostenible

Ingeniería de Recursos Hídricos

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............................................................................................................................62. COMPOSICIÓN DEL AGUA DEL MAR.......................................................................................................63. SALINIDAD.......................................................................................................................................73.1 CONDUCTIVIDAD ELECTRICA........................................................................................................94. TEMPERATURA...........................................................................................................................105. DENSIDAD......................................................................................................................................126. VISCOSIDAD...................................................................................................................................137. TENSIÓN SUPERFICIAL................................................................................................................158. EL SONIDO EN EL OCÉANO.................................................................................................................169. LUZ EN EL OCÉANO....................................................................................................................1910. DISTRIBUCION DE LA DENSIDAD, TEMPERATURA Y SALINIDAD....................................................................2211. 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

Cloruro (Cl-) 55.07 Sodio (Na+) 30.62

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

Bicarbonato

(HCO3-)

0.4 Calcio (Ca++) 1.18

Bromuro (Br-) 0.19 Potasio (K+) 1.1

Flúor (F-) 0.01 Estroncio (Sr++) 0.02

Ácido bórico (H3BO3)

0.01

Aniones Cationes

Molécula no disociada

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:

SA ( ooo )=1,80655Cl ( ooo )

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.

S=0.0080−0.1692K12+25.3853K+14.0941K

32−7.0261K 2+2.7081K

52

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

y el símbolo ( ooo ) resulta innecesario. El antiguo valor de 35 ooo

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/m3 en la superficie y los 1070 kg/m3

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

la cantidad σ S , t , P definida por: σ S , t , P=ρ−1000

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.

τ=FS

=μ ∙ ∂V∂n

¿ ❑ρ

: Coeficiente de viscosidad dinámica ( kgm s ): Coeficiente de viscosidad cinemática (m2s )

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

S = 0 o⁄oo S = 35 o⁄oo

10-6 m2/s 10-6 m2/s5 1.519 1.6076 1.472 1.5617 1.428 1.5168 1.386 1.4749 1.346 1.43410 1.308 1.39511 1.272 1.35712 1.237 1.32113 1.204 1.28714 1.172 1.25415 1.141 1.22316 1.112 1.19217 1.084 1.16318 1.057 1.13519 1.031 1.10820 1.007 1.08221 0.983 1.05722 0.96 1.03323 0.938 1.00924 0.917 0.98825 0.896 0.96726 0.876 0.946

o C

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:

V=√ EρDonde, E = coeficiente de compresibilidad adiabática

ρ = densidad del agua.

Una expresión matemática que se usa, para que se note el tipo de

relación es:

V=1449+4.6T−0.055T 2+0.0003T 3+(1.39−0.012T ) (S−35 )+0.017Z

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

Temperatura ºC Salinidad o/oo

N. Atlántica 8 - 19 35.1 - 36.5

S. Atlántica 6 - 17 34.7 - 36.0

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

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

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

Antártica - 0.4 34.7

Masa de agua

Sup. Central

Sup. Altas Latitudes

Intermedias

Profundas y Fondo

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/htm/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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