El fenómeno de las seiches, rissagues o meteotsunamis en ...

EL FENÓMENO DE LAS SEICHES, RISSAGUES O METEOTSUNAMIS EN EL MEDITERRÁNEO ESPAÑOL Y SUS CONSECUENCIAS EN LOS PUERTOS.

1. Introducción.

Las seiches, conocidas localmente como seixes en Cataluña o rissagues de Sant Joan en Baleares, son unos fenómenos de naturaleza oscilatoria y resonante que se dan con cierta frecuencia en el litoral mediterráneo español. Se producen cuando las aguas de una bahía o un puerto entran en resonancia originándose oscilaciones de amplitudes que pueden alcanzar hasta  más de cuatro metros pudiendo causar graves desperfectos en las embarcaciones amarradas en puerto. Su periodo de oscilación varía típicamente entre cinco minutos y media hora. Su origen más habitual es la amplificación en puertos y bahías de ondas largas procedentes del mar abierto producidas por causas de diferente naturaleza (sísmicas, surf beats, operaciones portuarias, caudales importantes en las desembocaduras de los ríos, desprendimientos y causas meteorológicas). En el caso de las seiches observadas en la costa mediterránea española la causa más frecuente es la meteorológica, por ello también se les ha denominado meteotsunamis (Montserrat, et al. 2006).El meteorólogo Eduard Fontseré en 1934 fue el primero que estudió estas oscilaciones en el litoral mediterráneo español, concretamente en el puerto de Barcelona. Las denominó seixes por similitud al nombre, seiche, propuesto por F. A. Forel en 1869 a la oscilación observada en el Lago de Ginebra. Parece que la denominación de “seiche” proviene de la palabra latina “siccus” (seco) debido a que durante las máximas amplitudes del fenómeno, el fondo de los puertos y bahías queda expuesto.
El estudio de las “rissagues de Sant Joan” en las Islas Baleares ha corrido principalmente a cargo de dos instituciones: el centro Meteorológico Zonal de Palma de Mallorca, liderado por el Dr. Agustí Jansà y por el Grupo de Fluidos Geofísicos del Departamento de Física de la Universitat de les Illes Balears.A raíz de un catastrófico episodio en 15 de junio de 2006 en el puerto de Ciutadella (Menorca), se puso en funcionamiento en Baleares un sistema de alerta de rissagues. Dicho sistema consiste en una red de sensores instalados en aguas profundas (60 m) en el canal entre Mallorca y Menorca y cuatro estaciones terrestres en los puertos de Ciutadella, Porto Cristo, Cala Ratjada y Colònia de Sant Pere. Las variables medidas son la presión atmosférica, la presión subacuática y el nivel del mar. Tras una primera fase de análisis de los datos y correlaciones y una segunda de simulaciones numéricas, se espera que las ondas largas causantes de las rissagues puedan ser detectadas unos 45 minutos antes de que lleguen a puerto.También en 2006 se presentó un proyecto para construir una compuerta de bisagra para cerrar el puerto de Ciutadella cuando se prevean casos de rissagues.

2. Descripción del fenómeno.

En primer lugar hay que diferenciar entre el periodo de oscilación libre de las aguas y las “seiches forzadas”. En el primer caso las aguas contenidas en una cuenca (puerto, dársena, bahía) responden a una fuerza externa oscilando libremente y  en ausencia de un nuevo aporte externo de energía una vez completada la oscilación, sufre un amortiguamiento y desaparece. En el caso de las seiches forzadas la oscilación es nuevamente alimentada por una fuerza exterior cada vez que se completa una oscilación. La amplitud de la oscilación aumenta y la masa de agua puede entrar en resonancia, desbordándose de su continente con consecuencias a menudo catastróficas (p.e. episodio del 31 de marzo de 1979) en Nagasaki (Japón). La fuerza externa que fuerza la seiche en bahías y puertos son ondas largas procedentes de mar abierto que llegan a la entrada de la bahía con una frecuencia igual o muy similar a la de la oscilación libre de la cuenca. En el caso que nos ocupa en este post dichas ondas largas (en el mar) son producidas por oscilaciones de la presión atmosférica debidas a trenes de olas aéreas viajando en rumbo hacia la bahía.

Figura 1. Amplificación de una onda y resonancia.

En la figura 1 se explica de modo esquemático la generación de una seiche forzada. En el caso aquí tratado, la fuerza externa y recurrente son las ondas largas marinas producidas por oscilaciones de la presión atmosférica. Para simplificar la explicación se supone que no hay pérdidas de energía por rozamiento. Así en 1 (t=0) se observa un recipiente rectangular de profundidad uniforme z y longitud K. Junto a la pared derecha del recipiente se ha colocado un martillo para excitar las oscilaciones. En 2 (t=1/2T₁), siendo T₁ el período de oscilación fundamental, se ha excitado una onda de longitud igual al doble de la del recipiente, habiendo transcurrido ya un tiempo igual a la mitad de T₁. En 3 hatranscurrido un tiempo igual a T1, tras haberse reflejado la onda en la pared izquierda del recipiente. En el mismo momento (3, t= T₁) que la onda reflejada alcanza de nuevo la pared derecha del recipiente, el martillo vuelve a golpear sumando una energía de igual magnitud que la suministrada la primera vez, entrando la masa de agua en resonancia. El resultado es una oscilación con doble amplitud que la primera onda generada (cuadro 4 de la figura 1).

Montserrat et al. (2006) y Šepić, et al. (2008) enumeran los elementos y condiciones necesarios para que se produzca un caso de seiche resonante o meteotsunami:

• Un puerto o bahía con unas determinadas características de resonancia (forma, tamaño, profundidad, etc.).
• Una perturbación meteorológica capaz de originar variaciones rápidas de la presión atmosférica, con períodos comprendidos entre pocos minutos y pocas horas.
• Propagación de la perturbación meteorológica hacia la bocana del puerto.
• Resonancia entre la perturbación meteorológica y las olas marinas (Resonancia externa al puerto). Lo que implica aguas poco profundas.
• Resonancia interna entre la frecuencia dominante de las olas procedentes del mar abierto y la frecuencia fundamental del puerto.

Los cinco puntos anteriores pueden agruparse en dos apartados:

• Características de la causa meteorológico-oceanográfica de las ondas largas que originan el fenómeno de resonancia.
• Características del puerto o bahía donde se producen las seiches.

Seguidamente se desarrollan estos dos puntos.
Causa meteorológico-oceanográfica de las seiches o meteotsunamis.El ya citado Eduard Fontseré (1934) es el primero que apunta a variaciones de la presión atmosférica para explicar las seiches que observó en el puerto de Barcelona.Messeguer y Net (1986) descartaron la causa sísmica como la causa habitual generadora de este tipo de oscilaciones en la costa mediterránea.En el caso de las islas Baleares A. Jansá (1986) ha descrito la situación meteorológica generadora de seiches o rissagues. Pernas (1997) comprobó la validez de la situación meteorológica para el caso de la costa catalana. El esquema general de situación meteorológica es el siguiente: a unos 1500 m(topografía de 850 hPa) se observa una masa de aire cálido procedente del SW (norte de África) que remonta, gracias al obstáculo que representa la cadena del Atlas, la masa mediterránea más fresca, húmeda, densa y estable. Así pues existe una inversión térmica bastante marcada. En la superficie de separación entre estas dos masas se originan las olas áreas gravitatorias debido a una marcada cizalladura. Como consecuencia de dichas ola aéreas se registran oscilaciones rápidas de la presión atmosférica entre 0,4 y 1,0 hPa (excepcionalmente pueden superarse los 1,5 hPa), y con unos períodos comprendidos entre los 5 y 30 minutos, aunque excepcionalmente pueden darse valores de 90 minutos. Las celeridades están entre los 10 y los 50 ms^-1. En ocasiones alguna onda puede desestabilizarse originándose una convección severa. En las capas altas de la atmósfera (500 y 300 hPa) se observa una vaguada con eje sobre la mitad occidental de la península ibérica enviando flujos del sudoeste sobre el Mediterráneo occidental.
Figura 2. Visión esquematizada de una advección de aire cálido de origen sahariano sobre el Mediterráneo Occidental. En la sección se muestra de modo simplificado como la Cadena del Atlas empuja la masa a niveles comprendidos entre los 1500 y 2000 m, superimponiéndose a la masa de aire mediterránea más fresca. Las ondas generadas por la cizalladura existente en la zona de interfase entre las dos masas pueden visualizarse por la formación de Altocumulus en las crestas de dichas ondas.
En las imágenes de satélite se observa una banda de nubes que se extiende desde la zona occidental del Mediterráneo hasta las islas Baleares y que a menudo adopta la forma de coma. Además las nubes presentan una estructura de bandas paralelas perpendiculares que son la visualización de los altocúmulos formados en las crestas de las ondas aéreas.
Figura 3. Imagen NOAA: 21/06/1984 a las 03:35 UTC channel IR. Se observa la típica forma de coma de la masa de nubes sobre el Mediterráneo Occidental. En Ciutadella se registró un episodio de rissaga de 3,5 m de amplitud.
La inversión subyacente transmite al mar de modo eficiente los cambios de presión, pudiendo las ondas atmosféricas entrar en resonancia (resonancia de Proudman) con el mar si coinciden las velocidades de propagación de ambos sistemas de ondas, con lo cual se produce una primera amplificación de las ondas largas en el mar abierto. Estas ondas largas pueden experimentar una nueva amplificación al llegar a la plataforma continental (amplificación en plataforma). Finalmente las ondas largas sufren una nueva amplificación en el puerto o bahía si su frecuencia dominante coincide con la de oscilación natural o con alguno de los modos de oscilación de dicho puerto o bahía (resonancia en puerto).
Figura 4. Esquema explicativo del mecanismo responsable de la formación de rissagues en Menoría (figura realizada a partir de Montserrat (2006).
La situación meteorológica descrita suele presentarse en el Mediterráneo Occidental entre los meses de abril y octubre. La descripción detallada de esta situación meteorológico-oceanográfica puede encontrarse en Ramis y Jansà (1987).En el citado trabajo de Pernas (1997) se valida el modelo de Jansá y también se comprueba la validez del modelo de situación meteorológica para la costa catalana. Se estudiaron 40 casos de seixes en las costas catalana y balear. En el 90 % de los casos se cumple en gran medida la situación meteorológica. En los casos en que se registraron seiches simultáneamente en Baleares y Cataluña, la situación meteorológica encaja perfectamente con el modelo de Jansá. De todos los casos estudiados sólo uno se produjo durante un mes invernal, diciembre, pudiéndose deber el fenómeno a otras causas ya que la situación meteorológica no se ajustaba al modelo general. El resto de los casos se registraron entre Mayo y mediados de Septiembre. En 2007 J. Cornellà estudió las “Seixes” que de producen en las bahías del Fangal y els Alfacs en el Delta del Ebro, ambas cuencas con períodos de oscilación mucho mayores que 30 minutos (ver tabla 3) por lo que posiblemente el mecanismo generador sea otro. En 2008 Šepić, Vilibic y Monserrat constataron la simultaneidad de ocurrencia de seiches o meteotsunamis en Baleares y en determinados puertos del Adriático.
Resonancia en puertos y bahías (Harbour resonance).Si las ondas largas generadas mar adentro llegan a las bocanas de los puertos y bahías con una frecuencia dominante coincidente con la del periodo de oscilación natural del puerto o bahía, o con la de alguno de sus armónicos, se produce la oscilación de las aguas del puerto y su posterior amplificación de la misma. Si la causa generadora se prolonga en el tiempo suficientemente las aguas del puerto pueden entrar en resonancia. Por tanto, la existencia de olas largas externas al puerto bahía es necesaria pero no suficiente para la producción de seiches importantes en puertos. El puerto o bahía ha de tener unas propiedades de resonancia bien definidas y un factor de calidad Q alto (Montserrat, 2006). Raichlen (1966) propone la siguiente expresión para obtener el factor de amplificación H en un puerto de las ondas largas procedentes de mar abierto,
donde f es la frecuencia de las ondas largas, f₀la frecuencia resonante del puerto. Cuando hay resonancia, H vale Q² ya que f = f₀. Cuando f=0, H=1y cuando f=¥, entonces H=0. El factor Q aumenta en puertos con bocanas estrechas.

Figura 5. Resonancia portuaria: episodio de rissaga del 15 de junio de 2006. Se alcanzó una amplitud de onda de 4,5 m. En 1 se inicia el vaciado del puerto. En 2 el fondo queda a la vista. En 3 la ola de rissaga irrumpe con violencia volviendo a llenar el puerto. En 4 máximo llenado del puerto con graves años para las embarcaciones (35 barcos hundidos y 100 afectados). Fuente:http://www.flickr.com/photos/carlospons/170284566/in/set-1030277/

En España se han registrado o se tiene noticia de ocurrencia de seiches en diferentes puertos y bahías, ubicados casi todos en el Mediterráneo. De hecho, estas oscilaciones anormales del nivel del mar son más evidentes en el Mediterráneo donde la máxima amplitud de la marea es de unos 20 o 30 cm.
En puertos con períodos de oscilación menores a 5 minutos hay que sospechar en otros mecanismos generadores de ondas largas, como por ejemplo los surf beats, cuyo período está comprendido entre 1 y 5 minutos.

3. Medidas para combatir el efecto de las seiches resonantes en los puertos.

Los episodios de resonancia debidos a las causas aquí expuestas producen cuantiosos daños materiales en la flota amarrada en los puertos. En algún caso se han producido víctimas mortales. Las medidas para reducir el efecto de estos fenómenos pueden dividirse en dos tipos: medidas preventivas y medidas paliativas.
a)   Medidas preventivas.Una vez que este fenómeno meteorológico-oceanográfico se encuentra ya bien identificado y estudiado, el diseño de futuros puertos y dársenas debería tener en cuenta este fenómeno, mediante una serie de medidas:

• Evitar aquellas configuraciones naturales y formas de dársena que favorezcan los fenómenos de resonancia. En este sentido cabe indicar la llamada “harbour paradox” enunciada por Munk, ya que puertos con bocanas estrechas ofrecen un mejor abrigo a la flota, pero en cambio son mucho más favorables a la resonancia (su factor de calidad Q presenta valores muy altos).
• Modelización numérica y física previa a la construcción del puerto.
• Evitar la permeabilidad al oleaje de los diques rompeolas (obras porosas).
• Separar la frecuencia natural de oscilación del puerto de la de los componentes principales del oleaje incidente.
• Hacer que las sucesivas dársenas de un puerto presenten distintas características a efectos dinámicos.
• Desviar la energía recogida en una dársena, presumiblemente afecta a un fenómeno de resonancia, hacia un rebosadero o un canal de gran anchura.

b)   Medidas paliativas.En puertos ya existentes con problemas de resonancia debidos a meteotsunamis pueden adoptarse las siguientes medidas:

• Implantación de un sistema de vigilancia de los meteotsunamis para la detección temprana de las causas que los generan. En este sentido se ha mencionado más arriba el sistema de vigilancia de las rissagues existente en Baleares desde 2006.
• Instalación de compuertas abatibles en las bocanas de los puertos con problemas de resonancia. Esta medida tiene sentido si coexiste con la anterior medida.
• Construcción de pantalanes flexibles que se adapten a las oscilaciones esperadas del nivel de las aguas del puerto.

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