El “nivel del mar”: un concepto más complejo de lo que parece

NOTA: si habéis estado siguiendo a Ciencia de Sofá en Instagram (@cienciadesofa) o en Facebook durante estos días, sabréis que he estado de viaje en Islandia. Vi muchas cosas interesantes y terminé grabando bastantes vídeos, así que es probable que durante las próximas semanas cuelgue más de un vídeoblog del viaje en el canal de Youtube… Por si os queréis suscribir a él y tal (guiño, guiño).

Acabada la campaña chapucera de redes sociales, pongámonos manos a la obra con la entrada de hoy.

Imaginemos que estamos en la playa un día especialmente tranquilo. Más allá de las pequeñas olas que puedan romper la armonía de la superficie lisa del mar, en esos momentos nos da la impresión de que el agua del océano está perfectamente nivelada con el horizonte como si fuera un vaso de… Bueno, de agua. Pero esta aparente planitud de los océanos no es más que una ilusión porque, como todos sabemos, la Tierra es redonda y, a gran escala, la superficie de las grandes extensiones de agua está tan curvada como la de nuestro planeta.

Aun así, entre lo difícil que resulta apreciar la curvatura del horizonte y lo poco concreta que es la expresión “nivel del mar“, da la impresión de que, aunque esté curvada, la superficie del océano debería estar nivelada a lo largo y ancho del planeta. Dicho de otra manera: lo lógico sería que todos los puntos de la superficie del mar estén a la misma distancia del centro de la Tierra.

Pero resulta que no es así: la superficie del océano está llena de protuberancias y depresiones, igual que en tierra firme hay montañas y valles. Y no me refiero a las olas o las mareas, sino a masas inmensas de agua que se alzan por encima de otras a escala planetaria y que permanecen estables durante millones de años. Lo que quiero decir es esto, vaya:

Sí, claro, montañas de agua… Me parece que vas a necesitar algo más que un dibujo cutre para convencerme.

Bueno, llamarlas montañas me parece un poco exagerado, voz cursiva, pero, como veo que no te fías, te dejo un mapa basado en mediciones reales hechas por satélite y en el que aparecen las diferencias de altura que existen a lo largo y ancho de la superficie de los océanos (descontando el achatamiento del planeta, del que hablaré en un momento):

En rojo los puntos más altos del océano, en azul los más bajos. De momento, ignorad las alturas que aparecen en tierra firme. (Fuente)

Como se puede ver en la imagen, hay 140 metros de diferencia entre la altura de la superficie del océano cerca de Europa y en las costas de la India. Estas discrepancias se pueden encontrar incluso entre distintos puntos de un mismo océano, como es el caso de los 100 metros que algunas regiones del Atlántico sobresalen por encima de otras.

Vale, vale, no me queda más remedio que creerte. ¿Y qué diablos hace que aparezcan montículos de agua en el océano? 

Hay muchos factores que afectan, aunque algunos tienen efectos más permanentes que otros.

Por ejemplo, está claro que la altura de la superficie de los océanos cambia a diario debido al efecto de las mareas. Hablé sobre cómo se producen las mareas en esta otra entrada pero, en cualquier caso, la moraleja es que las mareas pueden llegar a alterar el nivel del mar entre unos pocos centímetros y una docena de metros.

La elevación de la superficie del océano también aumenta o disminuye en función de las condiciones climáticas locales. Si la presión en una región es alta, el aire empuja el agua hacia abajo y la superficie del océano se deprime. Si la presión es baja, el nivel del agua aumenta porque la fuerza que actúa sobre ella es menor.

Por suerte, este tipo de cambios no son duraderos y no afectan en gran medida al problema de determinar cuál es el verdadero nivel del mar en un lugar en concreto. Los fenómenos realmente molestos son los que lo alteran de manera más o menos permanente.

Por ejemplo, como también comenté en este artículo, nuestro planeta experimenta una mayor aceleración centrífuga en el ecuador que las zonas polares. Este es el motivo por la Tierra está achatada por los polos en vez de ser una esfera perfecta y, además, es la causa de que el nivel del mar esté 21 kilómetros más alto en las regiones ecuatoriales que en los polos.

De hecho, si la Tierra dejara de rotar, el efecto de la aceleración centrífuga sobre los océanos desaparecería, el planeta recuperaría su forma esférica y el agua se redistribuiría fluyendo hacia los polos. En este escenario, los mapas tendrían que volver a dibujarse, porque la superficie terrestre quedaría más o menos así:

(Fuente)

En cualquier caso, como veremos en breves cuando hablemos de elipsoides, aunque el achatamiento de la Tierra le pueda complicar un poco los cálculos a quién quiera crear un modelo que le permita deducir cuál es el nivel del mar en cualquier punto del planeta, es un contratiempo bastante fácil de evitar. En cambio, existe un fenómeno mucho más molesto con el que es aún más complicado lidiar.

La forma de esfera achatada por los polos no basta para describir la Tierra, que en realidad tiene forma de geoide… Un concepto que, si nos lo tomamos al pie de la letra, describe una figura que “tiene la forma de la Tierra“.

Un poco redundante, ¿no?

La verdad es que sí pero, sea como sea, la moraleja es que, además de estar achatada por los polos, la Tierra está cubierta de bultos y depresiones.

Una representación muy exagerada de la Tierra con forma de geoide. (Fuente)

La causa de esta forma irregular es que la composición interna de la Tierra no es homogénea: hay regiones del manto terrestre más densas que otras, de modo que la intensidad de la gravedad que producen sobre la superficie que tienen encima es mayor. De hecho, existen diferencias de hasta un 0,3% en la intensidad gravitatoria a través de la superficie terrestre.

Por supuesto, estas discrepancias gravitatorias tienen un efecto aún mayor sobre el líquido que cubre nuestro planeta: el agua de los océanos tiende a acumularse en las regiones donde la fuerza de la gravedad es mayor, así que incluso las irregularidades del campo gravitatorio terrestre producen diferencias en el nivel del mar a lo largo de la superficie. Y, como la evolución de estas irregularidades está ligada a los lentos procesos geológicos que gobiernan el comportamiento del manto, su efecto sobre el nivel del mar se puede prolongar durante millones de años.

Si unimos todos estos factores, queda claro no se puede medir el nivel del mar en un lugar del planeta y un momento determinado y utilizarlo como referencia en todo el mundo, una especie de “elevación 0”, porque la altura de la superficie de los océanos no es la misma por todo el globo. Si, por ejemplo, tomaras como referencia el nivel del mar en el ecuador, no podrías aplicar esa misma escala en los polos, porque allí siempre estarías más de 20 kilómetros por debajo del nivel del mar debido al achatamiento de la Tierra. Incluso descontando el achatamiento del planeta (algo que los instrumentos pueden hacer de manera sencilla, como veremos en un momento), siguen existiendo diferencias de hasta un centenar de metros entre el nivel del mar en distintas regiones del planeta debido a su campo gravitatorio irregular.

O sea, que el “nivel del mar” no existe… O al menos, no existe un concepto de “nivel del mar” que se pueda aplicar por todo el mundo.

Exactamente, voz cursiva. Pero ten en cuenta que este problema sólo aparece a gran escala: en realidad, cada región puede medir el nivel del mar en sus costas y usar ese dato local como referencia para orientarse dentro de su propio territorio sin problemas. Por ejemplo, el Reino Unido utiliza el nivel del mar medido en el pueblo de Newlyn entre 1915 y 1921 como referencia y en este mapa se puede ver qué “nivel del mar” usan otros países europeos:

(Fuente)

Pero hay aplicaciones a las que no les sirve este sistema porque trabajan con mediciones que abarcan todo el planeta. Un ejemplo es la red de satélites de GPS, que reciben y envían señales de todo el mundo y, por tanto, desde posiciones muy diferentes respecto a los distintos “niveles del mar” de cada región. Entonces, ¿cómo se las apañan los satélites para decirte cuántos metros te encuentras por encima o por debajo del nivel del mar de tu zona, si la única localización que conocen es la de tu dispositivo de GPS?

Hay dos soluciones a este problema.

Por un lado, se puede considerar que, a grandes rasgos, la Tierra es una esfera achatada por los polos. Basados en esta suposición, una opción es construir un elipsoide teórico, un modelo matemático de una esfera achatada por los polos y con una superficie lisa, que se aproxime lo máximo posible a la forma general de nuestro planeta. A continuación, los satélites pueden superponer este modelo matemático sobre la Tierra (de tal manera que la superficie lisa de la figura geométrica encaje lo mejor posible con el relieve del planeta) y, una vez localizada tu posición sobre la superficie, compararla con el perfil del elipsoide de referencia allí donde te encuentras para calcular cuál es tu elevación.

Pero este método tiene un problema: esta figura teórica es sólo una aproximación y, como hemos visto, el planeta está cubierto de irregularidades, así que muchos puntos de la superficie terrestre quedan por encima o por debajo de la frontera del elipsoide de referencia. Como resultado, el GPS puede llegar a dar lugar a discrepancias en la elevación de hasta 100 metros, lo que significa que tu GPS podría insistir en que te encuentras 30 metros por debajo del nivel del mar mientras estás tumbado en la orilla de la playa… Y eso no tiene mucho sentido, claro.

Como es normal, esta falta de precisión puede ser un problema para las aplicaciones en las que se requiera una medición más exacta de la posición vertical de un dispositivo. Por eso existe un sistema más complicado, pero más exacto, para determinarla.

El campo gravitatorio de la Tierra es irregular y el agua tiende a acumularse de manera predecible alrededor las regiones donde la intensidad de la gravedad es mayor,  así que el único sistema que permite medir con precisión la elevación por encima del nivel del mar en cualquier lugar del mundo será aquel que tenga en cuenta las variaciones del campo gravitatorio que existen a lo largo de la superficie del planeta. Y eso es, básicamente, lo que se ha estado haciendo durante los últimos años: utilizar satélites que midan el potencial gravitatorio en cada punto del planeta para construir geoides teóricos que se aproximen a la forma del campo gravitatorio de la Tierra de la manera más fiel posible.

Una vez conseguido, la superficie de esta figura pasa a ser la nueva “elevación 0” (o el nivel mar) en cada punto del planeta.

Un mapa del geoide de referencia WGS 84 y su representación tridimensional exagerada. (Fuente)

En este caso, cuando superpone el geoide de referencia sobre el planeta, las discrepancias respecto a la topografía real son menores que con el modelo más simple que tiene una superficie lisa, lo que permite obtener resultados más exactos.

Y, nada, creo que ya me he enrollado lo suficiente y ha quedado claro que el nivel del mar es un concepto mucho más enrevesado de lo que parece.

Ahora, para variar…

Ciencia de Sofá tiene un libro nuevo, “Las 4 fuerzas que rigen el universo“. En él hablo sobre cómo las cuatro fuerzas fundamentales dan forma a nuestro universo, su descubrimiento y su efecto sobre nuestras vidas. Por otro lado, el libro “viejo” (“El universo en una taza de café“) va por la tercera edición y ahora vuelvo a ofrecer suscripciones a la revista de National Geographic así que, si os interesa alguna de estas propuestas, podéis acceder a una entrada donde las explico con más detalle haciendo click sobre la siguiente imagen 🙂

13 pensamientos en “El “nivel del mar”: un concepto más complejo de lo que parece”

  1. Teniendo en cuenta esto te voy a plantear un nuevo problema.
    En el Pirineo hay un gran debate acerca de cuales son los picos que se pueden considerar como picos de 3000 metros o más, los tresmiles, no hay unanimidad a la hora de decidir cuáles si y cuáles no son, hay unos 214, algunos por la prominencia que tienen y otros debido a la altura, hay un caso en concreto que se le ha dado 2999’9 al pico Arnales, por lo cual queda fuera de esa lista. Pero siempre se ha considerado un tresmil
    Estas listas de tresmiles se han elaborado de distintas formas, algunas con GPS.
    Podríamos tener una nueva lista de tresmiles más realista teniendo en cuenta esto que comentas?
    Para los que coleccionamos tresmiles y tenemos una lista de la cual vamos tachando, tener nuevos picos que subir o saber que algunos picos no son realmente tresmiles nos resulta bastante interesante.
    Un saludo!

    1. “El hombre que subió una colina y bajó una montaña”, película genial. Esa es la solución: se amontonan unos cuantos pedruscos en la cima y ya tenemos un tresmil.

  2. “la Tierra es una esfera achatada por los polos”…. Como me chírria eso…. la tierra es una esfera (casi) perfecta! Es mas “esfera” que una bola de billar o de bolos.

  3. Interesante, no tenía ni idea de lo que se plantea en la entrada.

    Por cierto, en la frase donde dices esto:
    “La elevación de la superficie del océano también aumenta o disminuye en función de las condiciones climáticas locales.”

    Creo que sería más correcto usar la palabra “climatológicas” (o sea, el tiempo que hace en un lugar), en lugar de “climáticas” (el clima de ese lugar).

  4. y mi pregunta es la siguiente… si aquí en la tierra tenemos problemas para ponernos de acuerdo sobre “el nivel del mar” y la altura de los diferentes picos… ¿Cómo son capaces de decir que en marte hay un volcán de 22 km de altura? ¿Qué toman de referencia en aquel desértico planeta?

  5. Me pareció muy curioso el artículo. Y hoy me encuentro con un artículo citando que debido al achatamiento de los polos, el Chimborazo es más alto que el Everest.
    http://cybergeo.revues.org/docannexe/image/25478/img-4-small580.jpg
    Figure 4. Chimborazo from the Earth’s Centre
    Because the earth is flattened at the poles, Chimborazo, which is located close to the Equator, extends more than 1 km out from the centre of the earth than Mount Everest, even if measured from sea-level is more than 2 km higher. This figure exaggerates the vertical scale by a factor of 50 near the surface of the earth.
    Source: Sketch by Bertram Broberg. Previously published in Buttimer, 2001, p.114

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