mareas de largo período

Las mareas de largo período o de baja frecuencia son mareas gravitacionales con períodos superiores a un día o frecuencias inferiores a un ciclo diario . Suelen tener amplitudes de unos pocos centímetros o menos. Entre los componentes de marea de largo período con una fuerza relativamente fuerte se incluyen las mareas lunares quincenales (Mf) y mensuales (Ms), así como las mareas solares semianuales (Ssa) y anuales (Sa).

Un análisis de la distancia cambiante de la Tierra con respecto al Sol, la Luna y Júpiter realizado por Pierre-Simon de Laplace en el siglo XVIII demostró que los períodos en los que varía la gravedad se agrupan en tres tipos: los componentes de marea semidiurna y diurna, que tienen períodos de un día o menos, y los componentes de marea de largo período.

Además de tener periodos superiores a un día, la fuerza de marea de largo periodo se distingue de la primera y la segunda especie por ser zonalmente simétrica. Las mareas de largo periodo también se distinguen por la forma en que responden los océanos: las fuerzas se producen con la suficiente lentitud como para no excitar ondas de gravedad superficiales . La excitación de ondas de gravedad superficiales es responsable de las mareas semidiurnas de gran amplitud en la Bahía de Fundy , por ejemplo. En cambio, el océano responde a la fuerza de marea de largo periodo con una combinación de una marea de equilibrio junto con una posible excitación de modos normales de ondas de Rossby barotrópicas ^{[ 1 ].}

Las mareas gravitacionales son causadas por cambios en la posición relativa de la Tierra, el Sol y la Luna, cuyas órbitas se ven ligeramente perturbadas por Júpiter. La ley de gravitación universal de Newton establece que la fuerza gravitacional entre una masa en un punto de referencia en la superficie de la Tierra y otro objeto, como la Luna, es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre ellos. La declinación de la Luna con respecto a la Tierra implica que, a medida que la Luna orbita alrededor de la Tierra, durante la mitad del ciclo lunar se encuentra más cerca del hemisferio norte, y durante la otra mitad, más cerca del hemisferio sur. Este cambio periódico en la distancia da lugar a la componente quincenal de la marea lunar. La elipticidad de la órbita lunar da lugar a una componente mensual de la marea lunar. Debido a la dependencia no lineal de la fuerza con la distancia, existen componentes de marea adicionales cuyas frecuencias son la suma y la diferencia de estas frecuencias fundamentales. El movimiento del Sol y Júpiter introduce frecuencias fundamentales adicionales, por lo que existen componentes de marea en todas estas frecuencias, así como en todas sus sumas y diferencias, etc. La descripción matemática de las fuerzas de marea se simplifica enormemente al expresarlas en términos de potenciales gravitatorios. Dado que la Tierra es aproximadamente una esfera y las órbitas son aproximadamente circulares, resulta muy conveniente describir estos potenciales gravitatorios en coordenadas esféricas mediante expansiones en armónicos esféricos.

Para determinar la respuesta del océano a la fuerza de marea, es necesario considerar varios factores. Estos incluyen los efectos de carga y las interacciones con la Tierra sólida a medida que la masa oceánica se redistribuye por las mareas, así como los efectos de autogravitación del océano sobre sí mismo. Sin embargo, el factor más importante es la respuesta dinámica del océano a la fuerza de marea, convenientemente expresada en términos de las ecuaciones de marea de Laplace. Debido a sus largos periodos, las ondas de gravedad superficiales no se excitan fácilmente, por lo que durante mucho tiempo se asumió que las mareas de largo periodo estaban casi en equilibrio con la fuerza, en cuyo caso las alturas de marea deberían ser proporcionales al potencial perturbador y las corrientes inducidas deberían ser muy débiles. Por lo tanto, fue una sorpresa cuando, en 1967, Carl Wunsch publicó las alturas de marea para dos componentes del Pacífico tropical con mareas claramente fuera de equilibrio. ^{[ 2 ]} Más recientemente, se ha confirmado mediante mediciones satelitales del nivel del mar la naturaleza de no equilibrio de la marea quincenal lunar (GARY D. EGBERT y RICHARD D. RAY, 2003: Desviación de las mareas de largo período del equilibrio: cinemática y geostrofia, J. Phys. Oceanogr., 33, 822-839), por ejemplo en el Atlántico tropical. Cálculos similares para la marea mensual lunar muestran que este componente de menor frecuencia está más cerca del equilibrio que el quincenal.

Se han propuesto varias ideas sobre cómo debería responder el océano a la forzante mareal de largo período. Varios autores en las décadas de 1960 y 1970 sugirieron que la forzante mareal podría generar modos de ondas de Rossby barotrópicas resonantes; sin embargo, estos modos son extremadamente sensibles a la disipación oceánica y, en cualquier caso, solo se excitan débilmente por la forzante mareal de largo período (Carton, JA, 1983: The variation with frequency of the long-period tides. J. Geophys. Res.,88,7563–7571). Otra idea fue que se podrían excitar ondas de Kelvin de largo período. ^{[ 3 ]} Más recientemente, Egbert y Ray presentaron resultados de modelado numérico que sugieren que la elevación mareal de no equilibrio de la quincena lunar está más estrechamente relacionada con el intercambio de masa entre las cuencas oceánicas.

El efecto de las mareas de largo período en la órbita lunar es un tema controvertido; algunas publicaciones concluyen que las mareas de largo período aceleran la Luna y ralentizan la Tierra. ^{[ 4 ] [ 5 ]} Sin embargo, Cheng ^{[ 6 ]} descubrió que la disipación de las mareas de largo período frena la Luna y, de hecho, acelera la rotación de la Tierra . Para explicar esto, asumieron que la rotación de la Tierra no depende directamente de la derivación del potencial de forzamiento para las mareas de largo período, por lo que la forma y el período de los componentes de largo período son independientes de la velocidad de rotación. Para estos componentes, se puede pensar que la Luna (o el Sol) orbita una Tierra no giratoria en un plano con la inclinación apropiada al ecuador. Entonces, el "abultamiento" de marea se retrasa con respecto a la órbita de la Luna, desacelerándola en su órbita (acercándola a la Tierra), y por conservación del momento angular , la rotación de la Tierra debe acelerarse. Pero este argumento es cualitativo, y aún se necesita una resolución cuantitativa de las conclusiones contradictorias. ^{[ 1 ]}

Un componente adicional de las mareas resulta de las fuerzas centrífugas debidas, a su vez, al llamado movimiento polar de la Tierra. Este último no tiene nada que ver con los pares gravitatorios que el Sol y la Luna ejercen sobre la Tierra, sino que se ve "excitado" por los transportes de masa geofísicos en la superficie o en el interior de la Tierra, dada su (ligera) forma achatada. Esto da lugar a un movimiento de rotación de tipo Euler con un período de aproximadamente 433 días, conocido como oscilación de Chandler (en honor a su descubridor, Seth Chandler, a principios del siglo XX). Cabe mencionar que la oscilación euleriana es análoga al movimiento oscilante de un frisbee lanzado de forma imperfecta. Observacionalmente, la oscilación de Chandler (excitada) es un componente importante del movimiento polar de la Tierra. Uno de los efectos del movimiento polar es perturbar la fuerza centrífuga constante que siente la Tierra, provocando que la Tierra (y los océanos) se deformen ligeramente en el período correspondiente, conocido como marea polar . Al igual que las mareas de largo período, se ha supuesto que la marea polar está en equilibrio, y un examen de la marea polar a escalas de cuenca oceánica parece ser consistente con esa suposición. ^{[ 7 ]} La amplitud de equilibrio de la marea polar es de aproximadamente 5 mm en su máximo a 45 grados de latitud norte y sur; se observa con mayor claridad en los mapas de altimetría satelital de la altura de la superficie del mar . ^{[ 8 ]} Sin embargo, a escalas regionales, el registro observacional es menos claro. Por ejemplo, los registros de mareógrafos en el Mar del Norte muestran una señal que parecía ser una marea polar en desequilibrio, que Wunsch ha sugerido que se debe a una resonancia relacionada con la excitación de ondas de Rossby barotrópicas, pero O'Connor y sus colegas sugieren que en realidad es forzada por el viento. ^{[ 9 ]}

Las mareas de largo período son muy útiles para los geofísicos, quienes las utilizan para calcular el número elástico de Love y para comprender los movimientos oceánicos de baja frecuencia y a gran escala.