Introducción

Las ondas internas (IW) son un tipo de ondas no lineales ni sinusoidales más o menos aisladas, y a menudo detectadas en formas complejas que ocurren con frecuencia en el medio marino. El flujo de la marea más las características topográficas, como umbrales y pendientes de la plataforma continental en los océanos estratificados pueden generar IW en frecuencia con la marea (^{Prinsenberg & Rattray, 1975}; ^{Baines, 1982}). Varios autores han señalado que estas ondas se observan normalmente durante el verano, cuando están atrapadas en un termoclima estacional fuerte y poco profundo (^{Apel, Ostrovsky, & Stepanyants, 1995}; ^{Apel et al., 1997}; ^{Apel, Ostrovsky, Stepanyants, & Lynch, 2006}; ^{Chapman, Golenko, Paka, Sabinin, & Vlasenko, 1997}; ^{Colosi et al., 2001}). Estas ondas tienen periodos de 10 minutos y longitudes de onda que van de 100 a 2 000 metros.

Las ondas internas pueden propagarse a través de varios cientos de kilómetros, y transportar la masa y el momentum; se asocian a menudo con un cambio en la estratificación. Su propagación conlleva una considerable velocidad de esfuerzo cortante que puede producir importantes procesos de turbulencia y mezcla. La mezcla a menudo introduce nutrientes de aguas profundas en la columna de agua, y por lo tanto fertiliza la región local, modificando el ecosistema marino (^{Apel, 2002}; ^{Gaxiola-Castro, Álvarez-Borrego, Nájera-Martínez, & Zirino, 2002}).

En 1978, el lanzamiento de SEASAT con el radar de apertura sintética (SAR) a bordo corroboró la capacidad de este sensor para detectar IW. Algunas décadas más tarde, los sistemas SAR de la Agencia Espacial Europea (ESA), el RADARSAT (Canadá) y satélites Almaz (URSS) también confirmaron la eficacia de este sensor para detectar IW (^{Fu & Holt, 1984}).

Dado que las IW no lineales permanecen coherentes durante varios días, los paquetes de onda que se producen durante los ciclos de marea sucesivas son visibles en muchas imágenes SAR. A medida que el paquete se propaga lejos del sitio de generación, las ondas adicionales dentro de un paquete se generan cuando la picnoclina desplazada oscila al periodo Brunt-Väisälä local (^{Jackson, Da Silva, Jeans, Alpers, & Caruso, 2013}).

A pesar de la importancia de la IW como generador de productividad en el océano, se han realizado muy pocos estudios en el Golfo de California (GC) y han sido en cortos periodos de tiempo usando datos de satélite y mediciones in situ, tratando de describir su presencia y efectos en el medio marino (^{Fu & Holt, 1984}; ^{Gaxiola-Castro et al., 2002}; ^{Filonov & Lavín, 2003}). La escasez de estudios de este fenómeno es atribuible al alto costo que representan las campañas oceanográficas in situ, los estudios satelitales y la imprevisibilidad de la búsqueda o detección (dimensiones, dirección y forma). En este sentido, el sensor SAR se convirtió en una poderosa herramienta en la detección de IW, pero la muy baja resolución temporal del sensor (cobertura del mismo lugar con poca frecuencia) y el costo de las imágenes son limitaciones en su uso. Por lo tanto, el objetivo de nuestro estudio, el primero de su tipo en el GC, consiste en detectar, cuantificar, determinar el número de imágenes SAR necesarias para detectar IW y, finalmente, describir la variabilidad estacional y anual de IW, gracias al apoyo de la base de datos de imágenes de la Agencia Espacial Europea (ESA).

Materiales y métodos

Área de estudio

El GC es un mar marginal, con altas tasas de evaporación; se considera que es la cuenca de evaporación más importante en el océano Pacífico (Bray, 1988). Esta zona es muy interesante desde puntos de vista oceanográficos y meteorológicos, dada su similitud con otros mares, como el Mar Rojo y el mar Adriático (^{Badan-Dangon, Dorman, Merrifield, & Winant, 1991}). Las dimensiones aproximadas de GC son 150 km de ancho y 1 100 km de largo; su profundidad varía de aproximadamente 200 m en su cabeza a 3600 m en su desembocadura. Muchos procesos físicos, como vientos estacionales, afloramientos, giros y mezcla de marea se producen continuamente en GC. Además, GC experimenta fuertes interacciones con el océano Pacífico a través de su boca (^{Badan-Dangon, Koblinsky, & Baumgartner, 1985}; ^{Argote, Amador, Lavín, & Hunter, 1995}).

La circulación general y variabilidad estacional del GC es resultado de las fuerzas ejercidas por el océano Pacífico a través de su boca. Estas fuerzas incluyen las mareas, los movimientos de baja frecuencia y, en menor medida, vientos de la superficie de flujo de flotabilidad (^{Ripa, 1997}; ^{Beier, 1997}; ^{Marinone, 2003}).

Las mareas en esta cuenca son producidas por la co-oscilación de las mareas del océano Pacífico (^{Filloux, 1973}; ^{Ripa & Velázquez, 1993}). Las componentes semidiurnas muestran amplificación en altura de la marea hacia la cabeza de GC como componente M2, que va de 36 cm en la entrada del Golfo a 150 cm en la zona superior, con un mínimo en la parte central del golfo (5 cm). En contraste, las componentes diurnas están en fase en todo el Golfo, y la amplitud aumenta hacia la cabeza por continuidad. Como resultado de las diferentes características de las componentes diurnas y semidiurnas, las mareas en el Golfo son mixtas (^{Lavín & Marinone, 2003}).

Este estudio se centra en el norte del GC (NGC). Su ubicación es de 32° N-110° W y 28° N-106 ° W. Es una cuenca relativamente poco profunda, con una profundidad media de 200 m (figura 1). Una de las características topográficas más importantes en esta área es la presencia del archipiélago Midriff, que incluye las islas más grandes de GC: Ángel de la Guarda y Tiburón. El Canal de Ballenas, que se encuentra entre la península y Ángel de la Guarda, presenta una profundidad máxima de unos 1 600 m; la cuenca Tiburón, situada entre Ángel de la Guarda e isla Tiburón, alcanza una profundidad máxima de unos 500 m; la cuenca Delfín, situada al norte de la isla Ángel de la Guarda, presenta una profundidad máxima de unos 800 m (^{Shepard, 1950}). El canal de Ballenas se aísla del GC central por una cresta submarina (cordillera); su base alcanza una profundidad de alrededor de 450 m (^{Álvarez-Borrego, 2007}). Además, hay cuatro umbrales en esta región: San Lorenzo, San Esteban, Delfín, y el Canal de Ballenas.

Figura 1 Área de estudio: a) Golfo de California; b) norte del Golfo de California, incluyendo las Grandes Islas, cuencas y umbrales: (1) cuenca Delfín, (2) cuenca Tiburón, (3) cuenta Canal Ballenas, (◄) umbral Canal de Ballenas, (▲) umbral San Lorenzo y (▼) umbral San Esteban; c) batimetría del norte del Golfo de California (m). 

La longitud de GC hace que sea casi resonante a los armónicos de marea semidiurnas (^{Hendershott & Speranza, 1971}; ^{Filloux, 1973}). Esta resonancia provoca grandes rangos en las amplitudes de marea (hasta 9 m) y fuertes corrientes de marea (hasta 1 m/s) en la zona poco profunda en el extremo norte del GC. La presencia de los umbrales provoca corrientes aún más fuertes (hasta 1.5 m/s), que liberan grandes cantidades de energía cinética turbulenta. Esta energía tiene un fuerte impacto en la física y la biología de la zona. La mayor parte de la energía cinética turbulenta en la marea, que se disipa en el GC, es debida a las mareas semidiurnas (especialmente M2) y principalmente se produce alrededor de las islas y en las zonas poco profundas de NGC (^{Argote et al., 1995}; ^{García-Silva & Marinone, 2000}; ^{Filonov & Lavín, 2003}).

Los vientos son fuertes durante el invierno, con velocidades que alcanzan entre 8 y 12 m/s procedente del noroeste. Estos vientos producen una mezcla en la columna de agua, que en el verano es en gran parte estratificada, pues los vientos que vienen de suroeste durante esta estación son débiles, con velocidades de menos de 5 m/s y la calma es frecuente (^{Badan-Dangon et al., 1991}; ^{Santamaría-de-Ángel, Álvarez-Borrego, & Müller-Karger, 1994}; ^{Marinone, 2007}).

Resultados

Las series de tiempo de las fechas de muestra frente al número de imágenes mostraron la fuerte variabilidad en la disponibilidad de SI adquiridas por el sensor y el número de SI, en donde se detecta la presencia de IW durante el periodo de estudio (figura 2a). El número de SI adquiridas define claramente dos periodos: de abril de 2000 a junio de 2003 (en el que el número de imágenes disponibles osciló entre 1 y 6, con una media de 2 y una moda de 1), y julio de 2003 a diciembre de 2006 (en el que el número de imágenes disponibles osciló de 1 a 18, con una media de 9, y una moda de 11). A pesar de las diferencias en la disponibilidad de imágenes a través de estos dos periodos, el número IIW detectado durante todo el periodo de estudio no varió de modo considerable. El primer periodo varió de 0 a 4 imágenes, con una media de 1 y una moda de 0; el segundo periodo varió de 0 a 5 imágenes, con una media de 2 y una moda de 0. A partir de los meses muestreados (59), 27 carecían de detecciones de IW y 12 (44%) correspondían a invierno. En el primer periodo, el 70% carecía de detecciones de IIW y 31% en el segundo. Estos resultados revelan una dependencia de la detección de IW desde la adquisición de SI, y esta dependencia no es directamente proporcional.

Figura 2 Variabilidad de la serie de tiempo, años 2000-2006 en NGC: a) fecha de la muestra con SI (barras grises) y IIW detectadas (barras negras); b) relación entre el número de SI adquiridas y IIW detectadas (SI:IIW) (barras grises), y la moda y media (línea de puntos). 

Los resultados mensuales obtenidos a partir de la ecuación (figura 2b) son útiles para determinar el número de SI requerido para detectar IIW, expresados como la relación SI:IIW. Se determinó que la media y la moda comparten la misma proporción (5:1) durante todo el periodo de estudio. En diciembre de 2005, la media y la moda exhiben la mayor proporción (18:1); este mes presentó la menor ocurrencia de IIW. Otros meses tuvieron bajas ocurrencias IIW, incluidos marzo de 2004 (12:1), enero de 2004, abril de 2005 (11:1), y noviembre de 2005 (10:1). Encontramos el mayor número de ocurrencias de IIW con una proporción de 1:1 en abril de 2001, agosto de 2004 y julio de 2006. Se observó que durante el periodo 2000-2003, la proporción se mantuvo por debajo de la media y la moda, lo que indica una alta incidencia de IIW. La situación opuesta persistió en gran parte durante 2004-2006, cuando la relación fue mayor que la media y la moda, lo que indica una menor ocurrencia de IIW (Figura 2b).

Debido a la diferencia en la disponibilidad de SI durante los dos periodos y la gran diferencia en la relación de la detección de IIW (figura 2), se realizó un análisis de la tasa de temporada del periodo de estudio. Los resultados de este análisis (figura 3a) demostraron que el invierno tiene la ocurrencia más baja de IIW, con una proporción promedio de 15:1, esto es, una IIW fue encontrada de cada 15 SI analizada. En contraste, la primavera y el verano se caracterizaron por una mayor incidencia de IIW, con una proporción promedio de 4:1. Los datos de otoño tenían una proporción promedio de 8:1.

Figura 3 Promedio de proporciones de la cantidad de SI adquiridas y IIW detectadas (SI:IIW) 2000-2006 en el NGC: a) variabilidad estacional; b) variabilidad interanual. 

El análisis interanual reveló una gran variabilidad en la relación de la detección de IIW; 2002 obtuvo una proporción de 3:1 y presentó la mayoría de IIW; 2004 exhibió una proporción de 8: 1 y presentó el menor número de IIW (figura 3b).

Detección de IW en imágenes SAR

Zona sur de las Grandes Islas

Se detectaron en la imagen ASAR del 30 de agosto de 2004 (figura 4), aproximadamente cinco trenes de ondas internas (A-E). Tres de los trenes (A, B y D) parecen haber sido generados en el Umbral de San Lorenzo; los otros dos trenes (C y E) parecen haber sido generados en el Umbral San Esteban. Todos los trenes mostraron una propagación hacia el este. El paquete A presentó la mayor deformación de la onda; D y E mostraron una considerable atenuación.

Figura 4 Imagen del Envisat del 30 de agosto de 2004, de la zona sur de las Grandes Islas (NGC), que muestra cinco trenes de IW (A, B, C, D y E), que se propagan hacia el este. Órbita 13017, pista 492, ID 63 y adquirida en paso ascendente a las 23:19 (GMT 05:19). 

Conclusiones

Hemos sido capaces de identificar la existencia de IW en todas las estaciones del año durante el periodo y área de estudio mediante el uso de la IS. Nuestro estudio es el primero en describir la variabilidad temporal de la detección de IW en este mar. También mostró que un número significativo de IW se detecta en la proximidad de todos los umbrales en el NGC. Tal hallazgo nos permitió determinar la variabilidad mensual, estacional e interanual de la detección de IW.

Durante la serie de tiempo, la variabilidad observada en el número de SI adquiridas y el número de IIW detectadas indica que el número de imágenes analizadas en cada mes afecta de alguna manera la detección de IW; sin embargo, este efecto no siempre es proporcional. Por lo tanto, la variabilidad en la detección de IW por SI depende de con qué frecuencia se produce este fenómeno en el área de estudio durante cada mes del año y no en el número de imágenes adquiridas. Este hecho sugiere que puede haber otros factores que influyen en la detección de IW.

El número de SI en el que se detectaron los trenes IW en relación con el total de imágenes disponibles nos permitió determinar que de acuerdo con la moda y la media (5; 1), calculadas en el análisis mensual, cinco SI son el mínimo número de imágenes necesarias para detectar este tipo de ondas en GC.

Nuestro análisis mensual de relación SI:IIW también demostró la existencia de periodos con mayores o menores proporciones, esto es, periodos con detecciones IW mayores o menores. El análisis propuesto evita la dependencia entre la detección de IIW y el número de SI adquiridas.

La variabilidad encontrada en el análisis mensual confirma que las variaciones marinas que se producen en todo el año en el área de estudio determinan la generación y, por lo tanto, la detección de estas ondas. Tal hecho es claramente observable en el análisis estacional de SI:IIW (figura 4), en el que los datos de invierno presentan el valor más alto, lo cual significa que esta temporada se asoció con menos detección de IIW que en primavera, verano u otoño. Además, nuestros resultados mostraron que la primavera y el verano se caracterizan por una alta incidencia de IIW.

Nuestro análisis interanual del SI:IIW nos permitió determinar un hecho importante: a pesar de que la topografía del fondo de la zona de estudio se mantuvo sin cambios, la tasa de detección IW ha variado cada año. Hemos observado variaciones extremas de año en año (p. ej., 2004, con una relación de detección de 8:1 (SI:IIW), y 2002 con una relación de detección de 3:1). Estos resultados indican que el número de SI requerido para un análisis IW varía cada año.

Por último, como se observa en las imágenes SAR presentados en este documento, la generación IW se produjo en las proximidades de todos los umbrales con diferentes direcciones, número de ondas en cada tren, tamaño y, en la mayoría de los casos, con una interferencia considerable entre ellos. Estos resultados se deben tener en cuenta en más detalle en estudios in situ.