No es fácil entender cómo se mueven los océanos. Si no se movieran como sabemos que lo hacen, en tres dimensiones, y sólo nos enfocáramos en la capa superficial que está en contacto con la atmósfera, tendríamos aun así que entender el efecto de las diferencias de densidad y cómo interactúa la fuerza del viento con la superficie del agua. Los océanos, entonces, intercambian momento, calor, agua, gases y una bola de variables más que tendríamos que considerar si quisiéramos resolver nuestra duda original: ¿cómo se mueven los océanos?

Para estudiar y tratar de entender algo tan grande y complejo como el océano requiere de muchas observaciones y modelos computacionales que simulen de la mejor manera posible el comportamiento de las corrientes, las temperaturas, salinidad y diferentes componentes químicas del agua de mar.

Los modelos computacionales pueden enfocarse a tratar de simular un fenómeno específico y así obtener una explicación de los mecanismos fundamentales que lo controlan, o pueden ser tan complejos que traten de simular de la forma más realista posible el comportamiento físico, químico y biológico del océano mundial o regiones particulares, como el Golfo de México. Estos modelos a veces pueden ser igual de complejos que la realidad misma, pero los científicos tienen la ventaja de que las computadoras producen grandes cantidades de datos e información que muchas veces no puede obtenerse mediante observaciones directas. La mejor forma de entender cómo se comporta el océano es combinando observaciones y modelos con el objetivo de definir su estado actual y poder realizar predicciones confiables.

Desde mediados de los años 90, el CICESE, a través del grupo CANEK, integrado por investigadores del Departamento de Oceanografía Física, comenzaron a estudiar la circulación del Golfo de México. Al cabo de casi 25 años, además de tener un sistema de mediciones en funcionamiento dentro del Golfo de México, han desarrollado diferentes modelos computacionales para estudiar la circulación oceánica y su dinámica. Estos esfuerzos han cristalizado en la generación de un sistema de predicción oceánica que, como en la atmósfera, realiza predicciones del estado del Golfo de México de 7 a 15 días. Estos sistema de predicción están en constante evolución y mejoramiento y tienen diversas aplicaciones. Una de ellas es el tratar de simular la dispersión de contaminantes y, hoy en día, en particular, atender la necesidad que tiene nuestro país –dada la actividad petrolera en aguas someras y profundas en el Golfo de México- de simular escenarios ante posibles derrames de petróleo que permitan generar mapas de riesgo, tiempos de arribo y estimaciones de impacto. Con ello, proveer a las autoridades competentes para que tomen decisiones racionales en caso de ocurrir derrames de hidrocarburos. Los procesos involucrados en el transporte, degradación y modificaciones químicas que sufre el petróleo al ocurrir un derrame, son extremadamente complejos y simular esto en forma adecuada es un reto inédito no sólo para el grupo de modeladores del CICESE, sino para la comunidad internacional, pues implica incorporar o acoplar a estos modelos físicos, otros aspectos y procesos biogeoquímicos, como por ejemplo la degradación de petróleo por diferentes tipos de bacterias, entre otros.

Esto quiere decir que a un modelo físico que simula las corrientes marinas y el transporte de contaminantes como el petróleo, debe integrarse la información proveniente de procesos químicos, geológicos y biológicos asociados a un derrame (poblaciones de bacterias y hongos que degradan petróleo, concentración de nutrientes, la presencia de fitoplancton, zooplancton, detritus o la respuesta misma de un hidrocarburo en el medio marino -intemperización, retención-) como herramientas de planeación y respuesta.

Y esto, según dijo el Dr. Julio Sheinbaum Pardo, responsable de la línea 3 del megaproyecto “Plataformas de observación oceanográfica, línea base, modelos de simulación y escenarios de la capacidad natural de respuesta ante derrames de gran escala en el Golfo de México”, es un reto muy importante que, por la cantidad de observaciones involucradas y por el esfuerzo de modelación que se realizará, es un hito para la investigación oceanográfica en el mundo.

Esta línea específica de acción del megaproyecto se denomina “Modelos numéricos de circulación y biogeoquímica”, y es una de las cinco en que se ha dividido este estudio, el cual será patrocinado en los próximos cinco años por el Fondo Sectorial CONACYT-SENER-Hidrocarburos, bajo la coordinación general del CICESE.

Participan en ella, como en el resto del proyecto, investigadores de las principales instituciones y universidades mexicanas dedicadas a las ciencias del mar.

¿Qué se va a hacer en el Golfo de México?

Repasemos algunas ideas básicas para tratar de entender el trabajo de estos oceanógrafos. Los modelos numéricos de fenómenos naturales representan cuantitativamente el comportamiento y la respuesta de un sistema a determinadas variables, y usan ecuaciones matemáticas para describir los distintos componentes del sistema y las relaciones entre ellos. El desarrollo de las computadoras ha hecho posible resolver en forma aproximada ecuaciones complejas con una gran cantidad de datos, y esto permite aproximarse mucho a la realidad de los fenómenos y simularlos. Combinando los modelos y las observaciones se cuenta que una estimación mucho mejor del estado del océano que la que se tendría usando cada fuente de información por separado.

Y eso es justo lo que se busca en esta línea de acción: Crear un sistema integral de observaciones y modelos numéricos actuando a diferentes escalas, capaz de generar escenarios y evaluar consecuencias e impactos de posibles derrames de hidrocarburos en el Golfo de México.

Según explicó el Dr. Julio Sheinbaum, la idea es construir modelos físicos asociando la atmósfera, los procesos biogeoquímicos y de transporte de hidrocarburos que incorporen procesos de intemperización para generar mapas de riesgo, tiempos de arribo y estimación de impactos tomando en cuenta las características químicas de los hidrocarburos en el ecosistema, condiciones extremas, y la posición y duración de los posibles derrames.

Uno de los grandes retos para nosotros, indicó, es incorporar los procesos de degradación de los hidrocarburos, lo que llaman la intemperización en el ambiente. “Esto tiene diferentes tipos de escalas, por el impacto que diferentes procesos tienen sobre los hidrocarburos. En cuestión de horas y días tenemos procesos físicos de expansión y evaporación, dispersión y disolución del hidrocarburo. En semanas tenemos emulsificación, foto oxidación, sedimentación, biodegradación, y esa es la parte que para nosotros es bastante importante. Por eso trataremos de incorporarlos a los procesos de modelación, ¡aunque sabemos que nos estamos metiendo en un lío!

¿Cómo incorporar eso a los modelos? Es algo realmente complicado. Si la física es complicada tratar de modelar procesos biológicos es mucho más difícil por lo que primeramente se intenta definir los procesos más importantes que determinan el comportamiento de poblaciones de organismos pequeñitos, aunque sólo se simule la realidad en forma muy gruesa, sin tanto detalle, utilizando pocas variables biogeoquímicas (nutrientes, zooplancton, fitoplancton y detritus) Una vez que estos modelos logran reproducir aspectos muy generales del comportamiento biológico, la idea es irnos a modelos más complejos que representen cada vez más y más detalles del comportamiento biológico (por ejemplo se introducen diferentes tipo de zooplancton y fitoplancton, diferentes nutrientes, más interacciones entre ellos, etcétera).

Visto en un cronograma, lo primero será evaluar los diferentes módulos biogeoquímicos que se tienen disponibles y que se van a utilizar en el proyecto. Simultáneamente se continuará con los modelos físicos de circulación oceánica, de circulación atmosférica y acoplados de circulación y oleaje.

Se plantea utilizar cuatro modelos de circulación oceánica para hacer un ensamble de modelos, comparar sus simulaciones y dar mayor certeza a los resultados. Sin embargo, como los modelos son diferentes, todavía está por determinarse la mejor forma de hacer las comparaciones y utilizarlas para estimar la incertidumbre de la simulaciones.

Otro problema será la generación de escenarios, pues no se sabe cuándo ni dónde ocurrirá un derrame. “No podemos simular un derrame en cada punto de la malla (son millones de puntos). Vamos a hacer simulaciones en puntos donde se tienen pozos o se piensa en el futuro tener pozos para decir, por ejemplo, que si en uno de esos pozo hubiera un derrame, al cabo de unos días, de un mes, el petróleo puede llegar a tal o cual lugar, en qué estado químico y qué impacto puede tener. La idea es incorporar todos los procesos de degradación del petróleo para modelarlo de manera realista”.

Se buscará también configurar un sistema de modelación numérica de la atmósfera sobre el Golfo de México, que incluya componentes especializados para química atmosférica, asimilación de datos e impacto de frentes fríos y ciclones tropicales. Esto es, hacer una climatología atmosférica de alta resolución que, además, permitirá hacer simulaciones de transporte de aerosoles en la parte atmosférica en caso de un derrame.

Un punto adicional es la serie de experimentos sobre dispersión de partículas en la columna de agua de mar que se van a realizar en la región de Perdido, a manera de colaboración y sinergia entre el grupo de modelación y el de experimentos de campo, que es la línea de acción cinco del megaproyecto, denominada “Análisis de derrames”, a cargo de la Dra. Paula Pérez Brunius.

Ella misma ha señalado que los modelos son importantes porque permiten simular diferentes escenarios ante la presencia de un derrame. Pero si no hay suficientes observaciones, son deficientes para simular procesos a escalas muy pequeñas.

Por eso, con experimentos muy concretos en esa zona, harán mediciones directas de dispersión de partículas a diferentes profundidades de la columna de agua de mar, y desde aguas profundas hasta la costa, para tratar de entender qué parámetros o “forzantes” son los que más influyen en la dispersión de un derrame, cómo se comporta al arribar a la región costera, y para validar la incertidumbre de los modelos numéricos.

Hay algunos aspectos oceanográficos que requerirán especial atención, como la modelación de la parte profunda del golfo, que se sabe es muy variable aunque tal vez menos intensa que en la superficie. Medir corrientes a grandes profundidades es muy caro y complicado y sigue sin quedar claro si existe una circulación promedio que da la vuelta al golfo desde la Florida hasta salir por Yucatán o si el flujo está dominado por remolinos pequeños. Mediciones con boyas que viajan a 1,500 metros de profundidad muestran un comportamiento muy complejo que probablemente refleja una combinación de procesos; lo que si muestran claramente es la importancia de la topografía (fondo marino y forma de la costa) en las corrientes.

La circulación en la plataforma del Golfo de México es otro asunto.

Sabemos que hay una influencia muy importante del viento y de variaciones estacionales en la circulación. Sin embargo, esta variación estacional y las corrientes influenciadas por el viento se ven seriamente afectadas por el impacto de intensos remolinos que generalmente están presentes en la aguas profundas y la zona de la pendiente y quiebre de la plataforma.

Sobre la plataforma se considera que durante primavera y verano las corrientes van hacia el norte o costa arriba, y que en invierno van costa abajo. Sin embargo, hay ejemplos de que no siempre es así, debido al impacto de los remolinos.

Otro elemento tiene que ver con el acoplamiento de olas y corrientes. Las olas son muy importantes en la parte superficial del océano para mezclar y hasta cierto punto, mover los productos. La turbulencia está relacionada con el rompimiento de los productos derivados del derrame, en partículas más pequeñas. Cuando uno ve la propagación o el movimiento de partículas de petróleo en la superficie, tiene que tomar en cuenta las corrientes, los vientos y también la turbulencia que se asocia al oleaje.

Por ello, se harán investigaciones sobre los modelos de oleaje y su acoplamiento con modelos de corrientes, para predecir así su impacto en la dispersión de una mancha de petróleo.

De manera esquemática, el Dr. Sheinbaum explicó que en la primera parte del proyecto se desarrollaran simulaciones de largo periodo, tratando de hacer climatologías y generar escenarios. “Más que hablar de escenarios de cómo está la circulación en verano o cómo está en invierno, o en el mes de abril o en mayo, lo que vamos a definir son condiciones dependiendo de la presencia de remolinos en una región u otra, su extensión e intensidad

“La segunda etapa tiene que ver con el anidamiento de los modelos y el desarrollo de modelos de alta resolución. Y la parte final tiene que ver con la interpretación de resultados y la entrega ya sea de un nuevo modelo o de módulos de modelos existentes que incorporen todos estos conocimientos que adquiriremos”.

Cuando concluya el megaproyecto, en 2020, esta línea de acción deberá haber conseguido tres grandes resultados:

1.- Contar con capacidad para modelar la interacción físico-biogeoquímica a diversas escalas utilizando diversos modelos y multi-ensambles. Contar con métodos estocásticos (caracterizados por una sucesión de variables aleatorias –estocásticas- que evolucionan generalmente en función del tiempo) y sistemas dinámicos para la generación de escenarios de derrames y definir zonas de riesgo e impactos junto con su incertidumbre. Contar con una estimación del estado del Golfo de México que combine observaciones y modelos (denominada re-análisis). Contar con plataformas web para el acceso y presentación de los productos y resultados.

2.- Sinergia entre observaciones y modelos que permita desarrollar novedosas parametrizaciones de los procesos de intemperización en la simulación del transporte de hidrocarburos en el océano. Generación de nuevos módulos computacionales que incorporen estos procesos y parametrizaciones.

3.- Configuración de un sistema de modelación numérica de la atmósfera sobre el Golfo de México que incluya componentes especializados para química atmosférica, asimilación de datos e impacto de frentes fríos y ciclones tropicales.

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Palabras clave: modelos numéricos, Julio Sheinbaum, Megaproyecto, SENER Hidrocarburos