miércoles, 17 de agosto de 2011

Infrasonidos naturales y fenómenos atmosféricos severos: los tornados silbadores





¿Podremos “oír” la lluvia como lo hacen los animales, a cientos de Km. de distancia?, ¿”escuchar” el silbido de los tornados y mesovórtices pequeños? Posiblemente sí, y probablemente más pronto de lo que pensamos.
Palabras claves. Infrasonidos, tiempo severo, animales, oído humano, ultrasonidos, detección, tormentas, tornados.
1.- Introducción
Cuando lanzamos una piedra en un apacible estanque con agua observamos como se genera un conjunto de ondulaciones sobre la superficie plana que separa a los dos fluidos, el aire y agua, y  que en forma de ondas concéntricas se propagan desde el punto generador radialmente hacia el exterior en circunferencias concéntricas y que van aumentando su radio con el tiempo. De la misma forma, el oído humano escucha el sonido de la caída de la piedra en el estanque debido a la propagación de ondas sonoras audibles por nuestro sentido sonoro, el oído; ondas que se propagan por el aire. Observadores más lejanos dejarán de oír la caída de la piedra pues la perturbación ondulatoria sonora se habrá atenuado, hasta disiparse, con la distancia.
Igualmente, la entrada  súbita de un meteorito en la atmósfera de la Tierra puede causar ondas de presión y de choque, como las generadas de forma equivalente por la piedra en el estanque. Mientras que las ondas sonoras se amortiguan rápidamente, pasando desapercibidas al ser humano, otro tipo de ondas de menor frecuencia se generan y  viajan a cientos y miles de kilómetros desde donde se generaron. Disponer de sensores especiales que detecten estas ondas de presión y su “sonido  silencioso asociado” nos permitirían localizar la fuente emisora: el meteorito. Este símil puede valer también para una burbuja de aire cálido que asciende rápidamente en la troposfera baja, una tormenta de intenso y vertiginoso desarrollo vertical que penetra con fuerza en la troposfera, las corrientes descendentes que caen desde los 10 -18 Km. de altura cargas de pedrisco y lluvia. La propia precipitación en su descenso e impacto con el suelo puede generar ondas sonoras no audibles por nosotros pero si perceptibles por micrófonos especiales e incluso por algunos animales. Se sabe que a ciertos mamíferos de las llanuras africanas en la estación seca “huelen” la lluvia que le anuncia el fin de la estación seca, “ven”  el relámpago que les proclama  un posible cambio de tiempo y “oyen” a cientos de kilómetros cómo ondas sonoras de baja frecuencia, posiblemente generada por las intensas y persistentes cortinas de lluvia, les anuncia el fin de los pastos secos y agostados.
Las ondas sonaras audibles por  el ser humano se extienden en el rango de frecuencias que van desde los 20 a los 20.000 Hz (hertzios). En este rango de frecuencias  los sonidos humanos están limitados en un espacio limitado desde que se transmiten hasta que son audibles. Más allá de los 20000 Hz y en menos de los 20 Hz, el ser humano no  puede oír las ondas de presión sonoras ya que no son audibles. Los términos infra y  ultra, que se aplican desde hace más de 200 años a las ondas luminosas cuyas longitudes de ondas quedan por debajo de la luz roja, infrarroja, y por encima de la violeta, ultravioleta, respectivamente, son aplicados  también a los sonidos. De aquí, aparecen los términos de infrasonidos y ultrasonidos. Siguiendo el convenio óptico, los infrasonidos se dividen en infrasonidos cercanos, aquellas cuyas frecuencias se encuentran entre  los 1 y 20 Hz, por el contrario, los infrasonidos lejanos son aquellos que quedan por debajo de de las frecuencia s de 1Hz. Algunos  seres humanos son sensibles a los infrasonidos, más que oírlos lo sienten en forma de dolor o cuando les efectos  negativos en la salud.
En este trabajo trataremos de analizar qué son los ultrasonidos y su relación con los fenómenos atmosféricos, tomados estos como generadores de sonidos especiales y su utilización para la detección temprana de fenómenos naturales adversos. 
2.- Qué son los infrasonidos: su detección
Aunque se ha comentado brevemente con anterioridad, los infrasonidos son ondas acústicas y de presión cuyas frecuencias se encuentran por debajo de las frecuencias sonoras audibles por los seres humanos. Para una persona normal las frecuencias infrasónicas se sitúan por debajo de los 20 Hz. Como se comentó con anterioridad, y siguiendo el símil óptico, los infrasonidos se dividen en:
  • Infrasonido cercano, aquellos cuya frecuencia se sitúa entre los 1 y 20 Hz
  • Infrasonido lejano, con frecuencias entre los 0,05 y 1 Hz
Para hacernos una idea la frecuencia más baja  con la que se puede tocar una tecla de un piano, un LA, se realiza a 27,5 Hz estando muy cerca del limite inferior audible por una persona normal.  Ya que las ondas  generan perturbaciones en el campo de presión, es muy común expresar dichos sonidos como variaciones perceptibles en las anomalías de presión. De hecho mucho de los sistemas detectores de infrasonidos analizan  los cambios en los niveles de presión  que son del orden de 0,01 Pa. En el mundo de los infrasonidos muchos son los generadores naturales y artificiales que emiten  en dichos rangos de frecuencia.
Figura 1. Diagrama de frecuencia, en Hz,  y presión sonora en decibelios. Los infrasonidos caen por debajo del umbral humano de los 20 Hz. Los sonidos familiares ocupan la porción derecha de la figura. Ondas sónicas con frecuencias por debajo de 1Hz pueden viajar ciento y miles de kilómetros. La curva inferior izquierda representa el límite de detectabilidad impuesta por los vientos atmosféricos y la turbulencia.  Fuente Bedard y Georges (2000).
Para detectar infrasonidos es necesario aparatos  muy sofisticados como el de la figura 2. El sensor parece como una especie de pulpo con brazos extendidos apuntando en diferentes direcciones desde el centro con diferentes tubos. Un sensible barómetro constituye el corazón del detector, capaz de analizar pequeñas fluctuaciones del campo de presión.
Figura 2. Antena detectora de infrasonidos formada por un  micrófono central y un conjunto de pequeños filtros colocados en los brazos del sistema capaces de detectar cambios de presión. Imagen de Bedard &. Georges, 2000.
Cuando una fuente infrasónica se activa, se emiten ondas esféricas, que al sufrir muy bajas atenuaciones pueden viajar a grandes distancias y reflejarse incluso en capas de la atmósfera superior.
Ya que el viento y la turbulencia pueden causar fluctuaciones de la presión en el aire, los científicos deben fíltralas, analizar  y separarlas de las asociadas a las de infrasonidos. La onda infrasónica afectará a todos los tubos de una sola vez y de la misma manera, un dispositivo interno las amplifica, creando una gran señal.
Un problema añadido a la hora de detectar la fuente de los infrasonidos es que los vientos desvían las señales infrasónicas. A más viento, mayor es el desvío.  Por eso, una fuente infrasónica  puede aparecer en diferente posición de la que realmente es. Este hecho negativo puede servir positivamente para estimar la intensidad de los vientos entre la fuente emisora y el detector.
Los infrasonidos pueden viajar a grandes distancias sin disiparse y ser obstaculizados por montañas, edificios, etc., a diferencia, por ejemplo, de las señales de los radares meteorológicos que no pueden detectar blancos  en zonas donde existen ocultaciones naturales o zonas de apantallamiento.
Un ejemplo se tiene en una descarga eléctrica  que es una fuente significativa de sonidos con multitudes frecuencias. Cuando lo oímos muy cerca sentimos un chasquido seco, también rico en ultrasonidos. Cuando, por el contrario, la tormenta está muy lejos las altas y medias frecuencias se desvanecen y el sonido resultante es rico en infrasonidos.  Los sonidos audibles no viajan más de unas pocas decenas de kilómetros. De hecho, la atenuación se incrementa con la frecuencia. Un tono a 1000 Hz es absorbido en un 97 % después de viajar 7 km. al nivel del mar.  Otro a 1 Hz puede  llegar a 3000 km., y uno a 0.01 Hz,  puede a viajar a una distancia que excede la circunferencia de la Tierra.
Como se comentó anteriormente, las ondas infrasónicas  pueden ser desviada y curvadas por la estructura del viento y la temperatura de la misma manera que lo hace una lente con los rayos de luz. La distribución térmica en la atmósfera puede hacer que los infrasonidos puedan reflejarse en ellas e incluso canalizándolas como si fuera un cable conductor o guía. Las ondas infrasónicas generadas por una explosión pueden viajar según diferentes trayectorias entre la atmósfera y a tierra.  Lo mismo ocurre con el viento que puede doblar y alterar el posible origen ultrasónico. Las ondas que se propagan corriente abajo del viento son las más favorables para detectar el origen sonoro.
3.- Un poco de historia
Las ondas de presión generadas por  grandes explosiones naturales o artificiales, ricas en infrasonidos,  pueden viajar  varias veces alrededor de la Tierra (Bedard and Georges, 2000). La explosión del volcán Karakatoa en 1883 y el meteorito que impactó en Siberia en 1909 produjeron ondas de presión que se detectaron a lo largo de  la Tierra  por barómetros sensibles a las fluctuaciones de presión. Los científicos recogieron por toda la superficie terrestre la llegada a cada observatorio de estas ondas de presión y fueron capaces de reconstruir la radiación sonora saliente desde los puntos que se produjeron. En algunos de los casos estas fluctuaciones se registraron dos y tres veces en una misma estación.
Las primeras grandes explosiones nucleares  marcaron un hito en el desarrollo de técnicas de detección de infrasonidos. La ausencia de satélites espías a finales de los cuarenta hizo que durante la guerra fría se desarrollaran técnicas de detección de explosiones basadas en infrasonidos con objeto de saber cuándo, cuántas y dónde se desarrollaban. Un conjunto de sensores de detección de ondas infrasónicas  y de micrófonos muy sensibles se colocaron para desarrollar redes muy sofisticadas. Fue en los años 50 cuando en pleno auge de la Guerra Fría se desarrollaron programas especiales tanto de carácter civil como militar y en el servicio de inteligencia sobre estas redes y sistemas de detección. A la vez se desarrollaron modelos matemáticos para simular la generación y propagación de infrasonidos. La llegada de los satélites espías en los años 60  hizo que se revisará los programas y desarrollos de estas redes acústicas, pero la aplicabilidad de los infrasonidos ya había saltado del ámbito militar y de defensa al civil.
En la actualidad lo que se consideraba como “ruido natural” sin sentido y significado se ha transformado en señales asociadas a fenómenos naturales, de animales, etc., que nos revelan hechos que hasta ahora estaban vedados. Tener oídos especializados en las frecuencias infrasónicas ha abierto posibilidades hasta ahora desconocidas, muchas veces tratando de buscar fuentes difíciles de localizar y complejas a la hora de analizar.
4.- Generadores de infrasonidos en la naturaleza
Las ondas infrasónicas pueden tener dos origines: las de tipo natural y las producidas por los seres humanos. Las antropogénicas están asociadas a grandes explosiones o por armas generadoras de infrasonidos y que puede ser usadas con fines militares al perturbar el sentido y conciencia humana (produciendo fatiga, vómitos,  cansancio, etc.). Si ir mas lejos los automovilistas, pilotos,.. que trabajan cerca de motores de explosión  y cuyos vehículos son fuentes de infrasonidos sienten fatiga cuando quedan expuestos durante largos periodos a los ruidos silenciosos que producen dichos motores.  Existen frecuencias “críticas infrasónicas” que se sitúan en los 7 Hz y en los 12 Hz que dificultan la capacidad en el trabajo intelectual  y que, incluso, pueden provocar malestar a niveles altos de intensidad.  La utilización  militar de este ruido silencioso negro es uno de los secretos mejor guardado por ciertos ejércitos.
Nos centraremos en las fuentes de origen natural y particularmente a las de origen atmosférico. A este tipo de fuentes se les une otras, como por ejemplo las originadas por ciertos animales. Por ejemplo, las ballenas, elefantes, cocodrilos, pájaros, etc. pueden emitir, comunicarse y recibir señales acústicas infrasónicas. Incluso se cree que por su constitución craneal  que algunos grandes reptiles prehistóricos podrían usar los infrasonidos para comunicarse, cazar, etc. Esta capacidad sensorial podría explicar la sensibilidad que tienen algunos animales a la hora de detectar ciertos eventos castroficos que a su vez emiten ondas infrasónicas como terremotos, avalanchas, erupciones volcánicas, etc.  Algunos de los animales citados pueden detectar la intensidad, localización y cercanía de estos eventos naturales y alterar su conducta para ponerse a salvo. Los cambios de temperatura, condiciones meteorológicas en general, les activa sus instintos migratorios y buscan, posiblemente, referencias geográficas de fuentes infrasónicas naturales.
5.- Fenómenos naturales 
La generación de sonidos audibles por el ser humano en la naturaleza es un hecho innegable. Quien no ha oído la onda sonora de una descarga eléctrica: el trueno. Quizás es el más y mejor conocido, pero no el único.  El propio viento cuando sopla intensamente sobre objetos, valles y montañas genera sonidos perceptibles e imperceptibles. En menor escala se han oído y medido ruidos sonoros asociados a tornados en las cercanías del observado por otras redes convencionales. En esta línea se han escuchado ondas correspondientes a los rangos de ultra e infrasonidos.
Desgraciadamente y a las longitudes de ondas audibles, la atenuación atmosférica es muy marcada en las ondas sonoras, los sistemas de medida y micrófonos deben estar muy cerca de las fuentes sonoras. En este sentido, parece más conveniente usar receptores que trabajen dentro del rango de los infrasonidos, cercano y lejano.
Estudios recientes han mostrado que pueden existir una gran cantidad de fuentes naturales atmosféricas de infrasonidos  y que puedan ser detectadas por redes de sensores infrasónicos. Entre ellos destacamos los tornados, vórtices atmosféricos, descargas eléctricas, turbulencia, ondas gravitatorias, ondas acústicas térmicas (generadas por descargas eléctricas).
Otros fenómenos naturales que emiten infrasonidos  son los terremotos, tsunamis, meteoritos, flujos aéreos sobre montañas, avalanchas, explosiones, además del asociado a tiempo adverso.
Bedard (2005) ha recogido una amplia bibliografía sobre tiempo severo e infrasonido. En uno de sus trabajos señala que para la zona  de  su estudio en EEUU, muchas tormentas adversas eran fuente de infrasonidos estando el 47 % asociadas a granizo, el 7 %  a “ecos radar en forma de gancho”, un 35 % lo hacia con tormentas con topes de más 45 000 pies y un 11 % con topes de menos de 45 000 pies.  Las tormentas pueden comportarse como las ballenas en el océano de aire ya que emiten infrasonidos. Milton Garces con su red de infrasonidos de la Universidad de Hawaii (Shiga, 2005) escuchó innumerables fuentes tormentosas infrasónicas. No podríamos ir a ninguna parte del mundo sin oír el coro infrasónico de las tormentas  que emiten sus ondas en todas direcciones.
Los sprides, chorros y fuentes luminosas que emanan desde los topes de ciertas tormentas, también aparecen como fuentes silbadoras de infrasonidos. Estas fuentes son independientes de los rayos y descargas internas de las tormentas.  En el verano de 2003,  Thomas Farges de la Comisión de la Energía  Atómica francesa y su equipo registraron simultáneamente la aparición de sprites e irrupciones de zumbidos infrasónicos. La señal acústica de los sprites es totalmente diferente a la de los rayos y descargas. El calor generado por  el destello electromagnético causa la expansión y posterior contracción del aire,   siendo la fuente de las ondas  infrasónicas.  En esta misma línea no se sabe en la actualidad la forma en que los sprides pueden producir esos silbidos únicos. No se tiene constancia de que otros fenómenos luminosos transitorios de la alta atmósfera ligados a las grandes tormentas (chorros azules, delfos, descargas estratoféricas, etc.) emitan infrasonidos.
Ya desde los años 70 se ha realizado estudios y análisis de tormentas con tornados mediante redes de infrasonidos. El estudio simultaneo de tornados y mesociclones con radares Doppler e infrasonidos no se realizó hasta 1995.  Bedard  (2005) demostró que la presencia de tornados silbadores infrasónicos coincidía en tiempo y espacio con lo observado mediante datos radar.  Ver figura 3.    
Figura 3. Los tornados, mangas marinas y otras estructuras severas pueden ser  fuentes generadoras de infrasonidos desde los diversos elementos que lo componen. Imagen de Environmental  Technology Laboratory, ETL.
Cómo un mesociclón o tornado puede ser fuente infrasónica no tiene una respuesta  clara y determinada pero se piensa que mientras se genera un tornado, éste se expande y contrae hacia su interior y hacia fuera. Las vibraciones se transmiten hacia a fuera por ondas infrasónicas. Se ha observado que la frecuencia de vibración depende del tamaño del embudo: cuanto más delgado, más baja es la frecuencia del sonido emitido. Gracias a nuevos estudios se ha establecido una red de tres estaciones infrasónicas en Colorado situadas en Boulder,  el Pueblo y una tercera en Goodland. Los datos son recogidos, tratados y presentados  en la oficina meteorológica de Colorado para ser usada por los predictores del tiempo en la vigilancia de tormentas potencialmente generadoras de tornados. Se ha comprobado que vórtices sonoros se detectaron 30 minutos antes de que el radar diera señal de ellos y algunos otros nunca fueron observados por el radar y sí por el sistema de detección basado en infrasonidos.
En el futuro se espera ampliar dicha red y demostrar más claramente el uso potencial de esta redes para detectar con antelación los gérmenes de los pequeños mesovórtices convectivos precursores  de lo que será en futuro tornado, si alcanza tierra.
He aquí cómo una red adecuada de infrasonidos puede mejorar la alerta sobre detección temprana de un tornado (tomado de la página del ETL):
  • Puede detectar un vórtice allí donde la señal convencional radar no llega (grandes distancias, obstáculos, apantallamientos, etc.).
  • Detección continua en el tiempo frente a los 5 o 10 min., de tiempo de exploración de los radares meteorológicos.
  • Suministrar información de una resolución más baja que las proporcionadas por los radares: detección de vórtices de diámetro muy pequeño.
  • Suministra información vertical de los vórtices sin límites como los que posee el radar meteorológico.
  • Sus datos se pueden usar para optimizar las exploraciones de un radar allí donde se detecta por infrasonidos.
  • Suministrar información sobre el núcleo principal del vórtice.
6.- Vientos locales e infrasonidos
No podemos pasar por alto algunas fuentes de infrasonidos que se generan, incluso durante varios días y que ha sido estudiados y analizados, teniendo su origen en zonas altas de montañas o áreas geográficas determinadas donde se asientan seres humanos,  cuando sobre ellas soplan vientos intensos. Aparentemente se generan sonidos de muy baja frecuencias que pueden viajar corriente abajo y ser oídos a grandes distancias por los animales migratorios.  Parece ser que los vórtices y remolinos generados por la interacción de los obstáculos y el viento son los primeros responsables.
Lo que es positivo para las migraciones de ciertos animales, es negativo para los seres que viven cerca  de zonas sometidas a vientos intensos y obstáculos (foehn, mistral, levante, tramontana, etc.). La respuesta negativa en los seres humanos se manifiesta en malestar de cabeza, fatiga, cansancio, etc. Los obstáculos generadores de este “ruido negro” pueden alterar la conducta humana de ciertos individuos hasta el punto de hacerlos muy irritados, genera suicidios u asesinatos en casos muy extremos.
7.- Conclusiones
Parece ser que estamos frente a un nuevo renacer del uso de los datos de infrasonidos generados de forma natural o artificial  con fines preventivos de terremotos, deslizamientos, avalanchas,  tormentas adversas, etc., después de los trabajos, estudios y desarrollos de redes durante los primeros años de la Guerra Fría.
Desde el punto de vista meteorológico los trabajos de Bedard y sus colegas de la NOAA han supuesto un impulso importante al demostrar que las redes infrasónicas pueden dar información útil y complementaria a otros datos de teledetección para la detección de fenómenos severos. Otros enfoques recientes pueden abrir la puerta para detectar turbulencia atmosférica que en determinadas condiciones puede ser útil para la aviación. 
La NASA está interesada en la detección  de  meteoritos cuando entran en la atmósfera, de la misma forma cuando tiramos una piedra en un estanque.
Los ruidos, zumbidos y silbidos fantasmas que nos rodean en los rangos de los infrasonidos tienen propias fuentes generadoras que nos hablan de ellos. Estamos comenzando a oírlos de forma lógica y científica. ¿Podremos oír alguna vez el coro de voces  que cantan dentro de una tormenta tropical, de una ciclogénesis explosiva, de una tormenta que precipita granizo o lluvias torrenciales? Será otra forma de ver  y sentir las voces de la naturaleza infrasónica.
Referencias
Atmospheric infrasound, 2000. Bedard, A.J. Jr. and T. M. Georges. Phys. Today, 53, 32-37.
Low-frecuency atmospheric acoustic energy associated with vortices produced by thunderstorms, 2005. Bedard A.J. Jr. Mon Wea Rev.,  133, 241-263. http://www.esrl.noaa.gov/psd/programs/infrasound/Monthly_Weather_Rev_Paper_Jan05.pdf
Silent Roar, 2005. David Shiga, Weatherwise, July-August 2005, 38-41.
Bedard, Jr. A. J., B. W. Bartram, B. Entwistle1, J. Golden2, S. Hodanish3, R. M. Jones4, R. T. Nishiyama4, A. N. Keane, L. Mooney5, M. Nicholls6, E. J. Szoke2, E. Thaler5, D. C. Welsh. Overview of the ISNet Data Set and Conclusions and Recommendations from a March 2004 Workshop to Review ISNet Data.
Bedard Jr., A. J., B. W. Bartram, A. N. Keane, D. C. Welsh, R. T. Nishiyama1. 
The Infrasound Network (ISNet): Background, Design Details and Display Capability as an 88D Adjunct Tornado Detection Tool
Hodanish, Stephen. 
Comparison of Infrasonic Data and Dopper Velocity Radar Data: a Case Study of the 16 June 2004 Tornadic Supercell Over the Southeast Colorado Plains Jones, R. Michael, Emily S. Gu and . J. Bedard, Jr. . Infrasonic Atmospheric Propagation Studies Using a 3-D Ray Trace Model Nicholls, M. E., R. A. Pielke Sr.,and A. J. BedardPreliminary Numerical Simulations of Infrasound Generation Processes by Severe Weather Using a Fully Compressible Numberical Model Szoke, E. J., A. J. Bedard, E. Thaler and R. Glancy. A Comparison of ISNet Data with Radar Data for Tornadic and Potentially Tornadic Storms in Northeast Colorado


2 comentarios:

  1. Qué interesante, aunque ha sido un poco largo de leer. ¡Sigan así!

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  2. Muchas gracias por el comentario, creeme que si lo hubiera podido resumir lo hubiera hecho.

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