El 1 de junio de 2009 un Airbus A330-200 de Air France desapareció sobre el océano Atlántico con 216 pasajeros y 12 tripulantes a bordo. Sus dos cajas negras se encontraron, a cuatro mil metros de profundidad, el 27 de abril y el 1 de mayo 2011 casi dos años después del accidente.

Cuesta creer que se tarde tanto tiempo en encontrar un objeto sumergido a solo cuatro kilómetros de profundidad que, además, está emitiendo una señal de localización y que, por ejemplo, el llegar a Marte, situado a 60 millones de kilómetros nos lleve solo nueve meses.

El motivo porque el que la mar guarda tan bien sus secretos es que no hay forma de ver dentro del agua. El agua es prácticamente opaca a todo el espectro de la radiación electromagnética, por ejemplo la luz visible no llega a más de 300 m de profundidad, por lo que no es una forma práctica de detectar objetos en el fondo marino. Tan solo queda el sonido como medio de comunicarse o detectar objetos sumergidos. El sónar, acrónimo en inglés de SOund NAvigation and Ranging (navegación y localización por sonido) y popularizado por las películas de la Segunda Guerra Mundial con su clásico ‘ping’, es un instrumento que utiliza la propagación del sonido bajo el agua para estos fines.

Naturalmente la cosa no es ni tan fácil ni tan bonita como nos la pinta Hollywood. De hecho es bastante más complicada ya que la propagación del sonido dentro del agua sigue las leyes de todo movimiento ondulatorio, viéndose afectado por la reflexión y, lo que es más importante, por la refracción, por lo que su trayectoria dista mucho de ser una línea recta.

Las leyes de la refracción establecen que cuando una onda atraviesa dos medios donde se propaga con diferentes velocidades se desvía de su trayectoria original. En el caso del océano, la velocidad de propagación del sonido es el resultado de la distribución vertical de salinidad, presión y temperatura. A este perfil de velocidades en función de la profundidad se le conoce como traza celerimétrica.[1]

Por lo tanto el conocimiento de la salinidad, la presión y la temperatura son vitales si queremos saber como va a propagarse un rayo acústico en el medio marino. La salinidad, s, es en principio, el menos importante de los tres y su valor es conocido en cada zona del océano. La presión depende de la profundidad, z, por lo que también es un término que podemos calcular con facilidad. Nos queda el más esquivo de todos: la temperatura.

Los factores que afectan la distribución de la temperatura son tres: la radiación solar recibida, el intercambio de calor con aguas más profundas (transporte vertical) y el debido a los efectos de corrientes y del viento, (transporte horizontal).

Debido a que la radiación solar apenas penetra en el océano su influencia solo llega a los 30 m. Como el viento y las corrientes superficiales mezclan el agua, se forma una capa, denominada capa de mezcla, de unos 100 m de profundidad donde la temperatura es prácticamente la misma y va variando a lo largo del día de acuerdo a la radiación solar recibida.

Por debajo de esta capa, la temperatura empieza a descender con la profundidad. No obstante, en latitudes medias el calor acumulado en el verano en la capa superficial se transmite a aguas más profundas, mientras que en invierno el efecto es el contrario. Estos efectos estacionales se traducen en lo que se conoce como termoclina estacional, que puede llegar hasta una profundidad, dependiendo de su ubicación geográfica, de entre los 50 my los 1000 m. En esta zona es donde se produce, además, un descenso brusco de la temperatura. Por debajo de esta capa la temperatura sigue descendiendo con la profundidad, pero de una forma muy lenta hasta llegar al fondo del mar.

En resumen, la forma en la que se propaga un rayo acústico depende de su velocidad y ésta depende de la salinidad, presión (profundidad) y temperatura (véase la figura 1).

La temperatura es función, a su vez, de la profundidad, de la hora del día, de la época del año y, por supuesto, de la ubicación geográfica.

Con esta introducción podemos empezar a vislumbrar por qué no es tan fácil encontrar algo dentro del agua. Veamos ahora como se propaga el sonido. La refracción de las ondas sonoras obedecen las leyes de Snell. Supongamos dos zonas donde las velocidades de propagación son, respectivamente, v₁ y v₂. (Véase figura 2)

De esta ecuación se deduce que si la velocidad v₂ es mayor que v₁, los rayos se acercan a la superficie, de manera que para un determinado valor del ángulo de incidencia q₁, denominado ángulo límite, los rayos sónicos recorrerán la línea de separación entre los dos medios y para ángulos mayores de q₁, los rayos rebotarán contra la segunda capa produciendo una zona de sombra que permanecerá oculta al sónar. (Véanse la figura 3 y la figura 4).

También la estructura de la traza celerimétrica, de la que hablábamos al principio, da lugar a un fenómeno conocido como canal sonoro, en el que el sonido puede propagarse miles de kilómetros sin apenas pérdidas, al quedar atrapado entre dos capas de gradiente de velocidad positivo. (Véase figura 4).

Por si estas dificultades pareciesen pocas, he de confesar que he simplificado el modelo al máximo ya que no se han tenido en cuenta ni los fenómenos de absorción, ni de dispersión, ni el efecto rebote de las ondas sonoras sobre el fondo marino, ni el ruido de fondo…

Solo así puede entenderse por qué, a pesar de estar tan próximo, el fondo del mar permanece oculto a nuestros ojos y nos resulta más fácil cartografiar la superficie de Marte que el mar Mediterráneo. También toma sentido el dicho que circula en las Armas Submarinas de todo el mundo:

Para terminar, aunque al principio haya comentado la poca importancia de la salinidad, en la desembocadura de los grandes ríos, como por ejemplo el San Lorenzo, la diferencia de salinidad entre el agua dulce del río y la salada del océano produce grandes zonas de sombra. Esta es una amarga lección que aprendió la Real Armada Canadiense durante la II Guerra Mundial cuando los submarinos alemanes hundieron, a la puerta de su casa, 23 barcos mercantes.

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Este artículo participa en los Premios Nikola Tesla de divulgación científica y nos lo envía Carlos Enriquez, licenciado en Ciencias Matemáticas (Especialidad de Astronomía, Mecánica y Geodesia) por la Universidad Complutense de Madrid. Licenciado en Ciencias Físicas (Especialidad de Física General) por la UNED. Doctor (Mención europea) por la Universidad Politécnica de Madrid. Desde 1997 hasta la actualidad ejerce como Profesor Titular de Escuela Universitaria en la Universidad de Jaén.