MARINA DE GUERRA DEL PERÚ PROGRAMA DE SEGUNDA ESPECIALIDAD PROFESIONAL HIDROGRAFÍA Y NAVEGACIÓN TRABAJO DE INVESTIGACIÓN FORTALECIMIENTO DEL SISTEMA NACIONAL DE ALERTA DE TSUNAMIS PRESENTADO POR: ALFÉREZ DE FRAGATA CECI RODRÍGUEZ CRUZ Asesor Académico: C. de F. ATILIO ASTE EVANS LIMA, PERÚ 2011
Por la fortaleza, sabiduría y el infinito amor de mis padres, por enseñarme a sonreir y demostrarme que no existe impedimento para seguir mis sueños.
TRAZANDO EL RUMBO
AGRADECIMIENTOS A mi asesor de tesis C. de F. Atilio Aste Evans por su tiempo, colaboración y paciencia para saber guiar la realización de este proyecto. A la Tte. 2 Lorena Márquez Ismodes por su gran apoyo en este proyecto. Un especial agradecimiento a la Física Nabilt Jill Moggiano Aburto por su disposición y apoyo incondicional desde el inicio de la elaboración de este proyecto de investigación. Quiero agradecer al Ph. D Katsuyoshi Kawaguchi jefe del proyecto DONET, Ph. D Shunichi Koshimura (Disaster Control Research Center Tohoku University), Lic. Andrés Figoli (Telefónica International Wholesale Services), Dra. Mairi Best, directora del proyecto NEPTUNE, Ph. D Kim Kuniper (NEPTUNE), Ph.D. Michael Spillane (NOAA), Ph. D. Manoj Nair (NOAA) por la asesoría e información brindada. A mi mejor amigo César Márquez Ismodes por estar siempre conmigo mostrándome su apoyo incondicional. A todo el personal civil y militar que contribuyó con información y datos importantes que han llegado a ser plasmados en este proyecto de investigación. A la Marina de Guerra del Perú, que a través de la Dirección de Hidrografía y Navegación ha permitido tanto mi desarrollo personal como profesional.
RESUMEN El Centro Nacional de Alerta de Tsunamis, ubicado en la Dirección de Hidrografía y Navegación cuenta con diversos equipos y sistemas de comunicación cuya finalidad es la detección, vigilancia y monitoreo de tsunamis que ocurren frente a nuestras costas. Sin embargo, una de las principales deficiencias en nuestro Centro de Alerta es no contar con un sistema de detección rápida de tsunamis de origen cercano que permita disminuir el tiempo de emisión de la alerta de tsunami y su respectiva cancelación. Para mejorar esta falencia, se investigaron nuevas tecnologías en cuanto a la detección de tsunamis. Es por ello que en el presente proyecto de investigación se realizó un contraste entre los sistemas más actuales en el mundo: el sistema de boyas detectoras de tsunamis (tipo DART) y el sistema de cables submarinos (DONET y NEPTUNE) con el fin de determinar el mejor sistema de detección rápida de tsunamis a ser implementado en el Perú para fortalecer el Sistema Nacional de Alerta de Tsunamis.
ABSTRACT The National Tsunami Warning Center, located in the Directorate of Hydrography and Navigation counts with several equipments and communication systems whose purpose is the detection, vigilance and monitoring of tsunamis in front of our coasts. However, a major shortcoming in our Alert Center is not having an early detection system of near tsunamis in order to reduce the time of emission of the tsunami alert and its cancellation. To improve this shortcoming, I investigated new technologies for tsunami s detection. For that reason in this research project I have done a contrast between the current systems in the world: Tsunami s buoy system (DART) and the submarine cable system (DONET and NEPTUNE) in order to determine the best system for detection of tsunamis to be implemented in Peru in order to strengthen the National Tsunami Warning Center.
CONTENIDO INTRODUCCIÓN CAPÍTULO I GENERALIDADES 1.1. Antecedentes 2 1.2. Hechos que inciden en el problema 3 1.3. Situación actual de la Dirección de Hidrografía y Navegación 6 1.4. Planteamiento del problema 7 1.5. Hipótesis de la investigación 7 1.6. Limitaciones 8 1.7. Delimitaciones 8 CAPÍTULO II SITUACION ACTUAL DEL CENTRO NACIONAL DE ALERTA DE TSUNAMIS 2.1. Componentes del Centro Nacional de Alerta de Tsunamis 9 2.2. Sistema de comunicaciones 12 2.2.1. Sistema AFTN 12 2.2.2. Sistema telefónico Punto a Punto (RDSI) 12 2.2.3. Sistema de Comunicación Radial VHF 12 2.2.4. Sistema de Telefonía Satelital 13 2.2.5. Sistema EMWIN 13 2.3. Sistema de monitoreo sísmico 13
2.3.1. Sistema TREMORS 13 2.3.2. Sistema CISN 14 2.4. SISTEMA DE MONITOREO DEL NIVEL DEL MAR 14 2.4.1. Red de Estaciones Mareográficas 14 CAPÍTULO III USO DE SENSORES DE PRESIÓN PARA LA DETECCIÓN DE TSUNAMIS 3.1 Sistema de boyas detectoras de tsunamis DART 15 3.1.1. Ubicación de estaciones de boyas DART en Sudamérica 16 3.1.2. Descripción general sistema DART 18 3.1.3. Partes específicas del sistema de boyas DART 19 3.2. Sistema de cables submarinos 20 3.2.1. Proyecto de la Red Densa Oceánica para Terremotos y Tsunamis (Dense Oceanfloor Network System for Earthquakes and Tsunamis, DONET) 3.2.1.1Descripción General del Sistema DONET 21 3.2.1.1.1. Descripción del sistema de cable principal 22 3.2.1.1.2. Descripción del Nodo Ciencia 23 3.2.1.1.3. Descripción de los Sensores de Presión 24 3.2.1.1.4. Descripción de los instrumentos de medición extensible 24 3.2.1.1.5. Escenario de la Construcción del Observatorio 25 3.2.2. Proyecto de la Red Experimental Submarina en Tiempo
Real del Noreste del Pacífico (NEPTUNE) 3.2.2.1 Descripción General del Sistema NEPTUNE 27 3.2.2.1.1. Descripción del Sistema de Cable Principal 28 3.2.2.1.2. Descripción del Nodo 29 3.2.2.1.3. Descripción de los Instrumentos de medición Extensible 29 CAPÍTULO IV DETERMINACIÓN DEL MEJOR SISTEMA DE DETECCIÓN DE TSUNAMIS 4.1. Contraste entre el Sistema de Boyas DART y el Sistema de Cables Submarinos para la Detección de Tsunamis 4.1.1 Estudio de la mejor ubicación de la boya DART en Perú 31 4.1.2. Ubicación de la boya 34 4.2. Análisis Sustentatorio de la mejor opción 36 CAPITULO V IMPLEMENTACIÓN DE SISTEMA DE CABLES SUBMARINOS PERUANO 5.1. Primer planteamiento 45 5.2. Segundo planteamiento 51 5.2.1.Descripción General del Sistema de cables submarinos peruano 52 5.2.1.1. Descripción del Sistema de Cable Principal 53 5.2.1.2. Descripción del Nodo 53 5.2.1.3. Descripción de los Instrumentos de Medición Extensible 55 5.2.1.4. Comunicaciones Software 56 5.2.1.5. Instalación 57
LISTA DE FIGURAS Figura N 1.1 Balneario de La Punta Vieja, en Camaná. Figura N 1.2 Daños ocasionados a los pobladores en las zonas costeras de Pisco, Perú. Figura N 2.1. Componentes del SNAT Figura N 2.2. Organigrama del Sistema Nacional de Alerta de Tsunami (SNAT) ante la ocurrencia de tsunamis en el Perú. Figura N 3.1. Ubicación geográfica de las 43 estaciones de boyas DART frente a los países de la Cuenca del Pacifico. Figura N 3.2 Estaciones de Boyas DART entre Panamá y Chile. Figura N 3.3: Funcionamiento del Sistema de Boyas DART. Figura N 3.4 Observatorios submarinos de larga duración de vida. Figura N 3.5 Estructura del sistema submarino DONET conformado por estación en tierra el sistema de cables principal de los cuales se desprenden los observatorios. Figura N 3.6 termómetro. Figura N 3.7 CTD.
Figura N 3.8 Medidor de corriente. Figura N 3.9 ADCP. Figura N 3.10 De izquierda a derecha hidrófono y Sensor de tsunamis Figura N 3.11 Observatorio DONET Escenario Operación del ROV en la construcción del Figura N 3.12 De izquierda a derecha: Apariencia del nodo Ciencia de DONET Y observatorios de DONET. Figura N 3.13 Observatorio submarino de NEPTUNE- Canadá. Figura N 3.14 Estructura externa del nodo. Figura N 3.15 Instrumentos instalados en una plataforma, Saanich Inlet, Setiembre 2008. Desde la izquierda hacia la derecha: hidrófono, sonar rotativo, medidor de corriente, un ADCP y un sensor de presión. Figura N 4.1 Se muestran las estaciones DART N 43412, N 43413, N 32411, N 32411, N 32413, N 32412, N 32401 propuestas y existentes en las inmediaciones de Perú. Figura N 4.2 Este punto estaría ubicado en el mar frente al Callao, y a 1390 km al oeste del Callao. Según los cálculos efectuados modelo numérico realizado por Michael en el 2010. Figura N 4.3 Mapa donde se aprecia el efecto de la braveza del mar sobre la Boya San Pablo de NAYLAMP Figura N 4.4 Boya del proyecto NAYLAMP vandalizada.
Figura N 4.5. Boya oceanográfica del Proyecto NAYLAMP. Figura N 4.6 A la izquierda se muestra el análisis hecho por JAM, a la derecha se observa la gráfica de los equipos de DONET (sismómetros, tsunámetros) ubicados a 80 km de costa, lo cual es una buena opción para detección de sismos de origen cercano. Figura N 4.7 Inversión Inicial de proyecto piloto del Sistema de Boyas DART e inversión inicial del proyecto Piloto del Sistema de Cables Submarinos. Figura N 4.8 Mantenimiento de Proyecto Piloto de Boyas DART y de Cables submarinos en 25 años Figura N 4.9 Análisis comparativo de Costos entre Sistema de Boyas DART y Sistema de Cables Submarinos. Figura N 5.1 Red de cables de Fibra óptica en Sudamérica. Figura N 5.2 Primera hipótesis de Proyecto piloto, con tres sensores de presión. Figura N 5.3 Modelamiento de tsunamis en el Callao. Figura N 5.4. Nodo del Sistema de Cables Submarinos Peruano. Figura N 5.5. Base de Nodo listo para su despliegue. Figura N 5.6 BPR. Figura N 5.7 software para Monitoreo y control en estación de Tierra. Figura N 5.8. Embarcación de Sembrado de Tyco Telecommunications.
LISTA DE ACRÓNIMOS Y SIGLAS ADCP Acoustic Doppler Current Profiler (Perfilador acústico de corriente) AFTN Aeronautical Fixed Telecommunication Network (Red de Telecomunicaciones Fijas Aeronaúticas) APN Autoridad Portuaria Nacional BU Breanching Units, (Unidades de Unión) BPR Bottom Preasure Recorder, (Sensor de presión submarino) CISN California Integrated Seismic Network (Red Sísmica Integrada de California) CORPAC Corporación Peruana de Aeropuertos y Aviación Comercial CTD Conductivity, Temperature, Depth, (Conductividad, Temperatura y Profundidad) DART Deep-ocean Assessment and Reporting of Tsunami, (Evaluación e información de Tsunamis en el Océano Profundo) DHN Dirección de Hidrografía y Navegación DONET Dense Oceanfloor Network System for Earthquakes and Tsunamis (Red Densa Oceánica para Terremotos y Tsunamis) EMSO European multidisciplinary seafloor observatory, (Observatorio Multidisciplinario Europeo en el Lecho Marino) EMWIN Emergency Managers Weather Information Network, (Red de Información Meteorológica para Administrador de Situaciones de Emergencia) ENAPU Empresa Nacional de Puertos ESONIM European Seafloor Observatory Network Implementation Model, (Implementación del Modelo de Red de Observatorios Europeo) IGP Instituto Geofísico del Perú INDECI Instituto Nacional de Defensa Civil
MACHO Marine Cable Hosted Observatory (Observatorio de Cables Submarinos) MARS Maintainable Real-Time System, (Sistema Sostenido en Tiempo Real) MINEDU Ministerio de Educación NAYLAMP El Niño Actual y Las Anomalías Medidas en el Pacífico NDBC National Data Buoy Center, (Centro Nacional de Datos de Boyas) NEPTUNE NorthEast Pacific Time-Series Undersea Networked Experiments), (Red Experimental Submarina de Series de Tiempo del Pacífico Noreste) NOAA National Oceanic Atmospheric Administration, (Administración Nacional Oceánica y Atmosférica) OOI Ocean Observatories Initiative (Iniciativa De Observatorios Oceánicos) PMEL Pacific Marine Environmental Laboratory, (Laboratorio Ambiental Marino del Pacífico.) PTWC Pacific Tsunami Warning Center, (Centro de Alerta de Tsunamis del Pacífico) ROV Remote Operated Vehicle, (Vehículo operado a distancia) SNAT Sistema Nacional de Alerta de tsunamis SIFT Short-term Inundation Forecast for Tsunamis, (Pronóstico de Inundación en corto tiempo para Tsunamis) TREMORS Tsunami Risk Evaluation Trough Seismic Moment from a Real-Time System, (Sistema de Evaluación en Tiempo Real del Riesgo de Tsunamis a través del Momento Sísmico) VENUS Visualization of Electron/Nuclear densities and Structures, (Visualizacion de densidades y estructuras de electrón o nucleares) VHF Very High Frequency, (Muy Alta Frecuencia) WMC Wet Mateable Underwater Connectors, (conectores húmedos maleables submarinos)
INTRODUCCION La Dirección de Hidrografía y Navegación (DHN) tiene la responsabilidad institucional del Sistema Nacional de Alerta de Tsunamis (SNAT), que en coordinación con sus componentes (IGP-INDECI-MINEDU) trabajan coordinadamente para brindar el apoyo técnico necesario de prevención y mitigación ante la ocurrencia de tsunamis, ondas gravitatorias libres que se propagan en el océano (Aste, 2003). Es por ello, que el fortalecimiento del sistema de alerta de tsunamis se basa en el análisis de dos diferentes planteamientos con objetivos comunes, como es la detección de tsunamis, para lo cual se propone la implementación de un sistema que a partir de sensores de presión nos permita obtener la detección del tsunami y su respectivo pronóstico con el fin de mejorar nuestro sistema de alerta temprana. Para el desarrollo de la investigación, se ha realizado un contraste entre el uso del sistema de boyas detectoras de tsunamis y el Sistema de cables submarinos en la cuenca del Pacífico. La estructura de esta investigación se orienta a responder las preguntas de investigación planteadas. El capítulo I, nos presenta la problemática actual y delimita el área de investigación. El capítulo II, nos presenta la situación actual del Centro Nacional de Alerta de Tsunamis. El capítulo III, expone de manera detallada tanto las características como el funcionamiento de los principales sistemas que emplean sensores de presión para la detección de tsunamis en la cuenca del Pacífico. El capítulo IV, desarrolla el estudio de la implementación de la Boya DART y de un sistema de cables submarinos en el Perú. Finalmente, se presentan las conclusiones y recomendaciones de la presente investigación para el proyecto más viable que servirá como gran herramienta para el fortalecimiento del Sistema Nacional de Alerta de Tsunamis (SNAT).
CAPÍTULO I GENERALIDADES A lo largo del tiempo, se han registrado diversos eventos tsunamigénicos. El Perú al contar con el Sistema Nacional de Alerta de Tsunamis brinda seguridad a la población costera. Es por ello que en el presente capítulo se hará una breve descripción de los antecedentes históricos de tsunamis tanto de origen cercano como lejano, así como el planteamiento del motivo de este proyecto de investigación con sus limitaciones y delimitaciones. 1.1 ANTECEDENTES Históricamente, se han registrado diversos eventos relacionados a tsunamis de origen lejano dentro de la Cuenca del Pacífico, que han llegado a repercutir sobre las costas ubicadas al extremo opuesto del epicentro del sismo que originó el tsunami; como es el caso del Tsunami de Chile ocurrido en el año 1960, el cual se propagó por todo el Océano Pacífico impactando sobre las costas de Asia y América del Norte. A su vez, se han registrado diversos eventos de tsunamis de origen cercano en el Perú, como es el caso de los sismos de 1996 en Chimbote, Camaná 2001, Pisco 2007. (Departamento de Oceanografía de la Dirección de Hidrografía y Navegación, 2010) Actualmente se vienen instalando e implementado a nivel mundial diversos sistemas para la detección de tsunamis, siendo uno de ellos el sistema de boyas tipo DART, como parte de una red internacional para el monitoreo de tsunamis dentro de la cuenca del Pacífico. Así como sensores de presión en el
lecho marino que a través de un sistema de cables permiten la transmisión de información desde los sensores submarinos a instalaciones en tierra. En este caso, el Perú, el cual no cuenta con algún equipo o sistema de esas características frente a la costa central cuyo propósito está en mejorar la capacidad de detección y monitoreo de dicho fenómeno. El alto costo de sembrado y mantenimiento del sistema de boyas detectoras de tsunamis ha creado el ímpetu para aminorar costos a lo largo del tiempo y aumentar la eficiencia con otros sistemas. Ejemplo de ello, es el desarrollo de sistemas de cables submarinos desarrollados por diferentes países siendo los más resaltantes, el sistema desarrollado por Japón, incluyendo sensores de presión en el fondo del océano unidos a observatorios oceánicos con misiones científicas, otro ejemplo es el programa NEPTUNE en Canadá, desarrollado a lo largo de la costa oeste de Norte América, siendo la detección de tsunamis una de sus funciones principales (Garret, 2004) 1.2. HECHOS QUE INCIDEN EN EL PROBLEMA A lo largo de los años, el Perú ha venido enfrentando diversos sismos generadores de tsunamis en sus costas, los cuales han sido registrados históricamente, primero por observación y posteriormente con instrumentos adecuados que proporcionan la magnitud y los parámetros del evento. Los tsunamis de origen cercano más resaltantes a lo largo de la historia son: Tsunami de Lima 1586, Este tsunami se llevó a cabo frente a las costas de Lima el 9 de Julio de 1586. El mar subió 7 metros, inundando 10 km2 de superficie terrestre, la intensidad de este sismo fue de VIII y produjo la pérdida de 22 vidas. Tsunami de Pisco 1664, Este tsunami se llevó a cabo frente a las costas de Pisco el 12 de Mayo de 1664. La intensidad de este sismo de VI fue sentido en Ica y produjo la pérdida de 70 vidas.
Tsunami en Callao 1687, Este tsunami se llevó a cabo frente a las costas del Callao el 20 de Octubre de 1687, la intensidad de este sismo fue de IX, el cual destruyó la ciudad de Lima produciendo la pérdida de 200 vidas Tsunami en Callao 1746, Este tsunami se llevó a cabo frente a las costas del Callao el 28 de Octubre de 1746. Probablemente sea el maremoto más destructivo registrado a la fecha. La provincia constitucional del Callao quedó destruída por dos olas, una de las cuales alcanzo más de 7 m, las cuales originaron la pérdida de 19 embarcaciones incluso las de la Armada Peruana siendo una de ellas varada a 1,5 km tierra adentro. En adición, destruyó los puertos de Chancay y Huacho y originó la pérdida de 5000 a 7000 vidas humanas. Tsunami en Callao 1806, Este tsunami se llevó a cabo frente a las costas de Callo el 1 de Diciembre de 1806, olas cuya altura fueron de 6m. Tsunami 1946, Este tsunami se llevó a cabo el 1 de Abril de 1946 originado por un terremoto en Chile, Perú, Ecuador y Colombia el cual se sintió también en Alaska y Hawaii. Las pérdidas materiales fueron valorizadas en US$ 25 000,000. Tsunami 1974, Este tsunami se llevó a cabo el 3 de Octubre de 1974, causado por sismo frente a la costa del Callao el cual inundó varias fábricas en las bahías de Chimú y Tortugas al Norte de Lima y destruyó muelles y zonas de cultivos. Tsunami 1996, Este tsunami se llevó a cabo el 21 de Febrero de 1996 originado a 210 km al SW de Chimbote, magnitud de 6.9 en la escala de Richter produciendo la pérdida de 15 vidas, en Puerto Salaverry. Tsunami de Nazca 1996, Este tsunami se llevó a cabo el 12 de Noviembre de 1996 originado frente a las costas de Nazca, cuyo epicentro fue a 93 km de costa con una profundidad focal de 46 km, magnitud 6.4 en la escala de Richter originando daños materiales en el puerto de San Juan. Tsunami de Camaná 2001, Este tsunami originó varias olas consecutivas, siendo la tercera la que causó mayor daño, acabó con la vida de 23 personas: la
mayoría, niños y ancianos que no lograron escapar de las olas. La propagación transoceánica de este tsunami se registró en los mareógrafos de Hawaii, Japón, Australia, Nueva Zelanda, y Chile, con alturas entre 5 y 20 cm. En el mareógrafo del Callao Perú, el tsunami se registró 90 minutos después del sismo con altura de 40 cm (Figura 1.1). Figura N 1.1 Balneario de La Punta Vieja, en Camaná; se observa la inundación dejada por el tsunami y el colapso de la cimentación de las viviendas. Fuente: DHN, 2010 Tsunami de Pisco 2007, Aunque fueron 3 las víctimas por el tsunami, la propagación transoceánica de este tsunami se registró en todas las costas de la cuenca del Pacífico de acuerdo a la información brindada por la Agencia Meteorológica de Japón, arribando al Japón con una altura de 20 cm en la provincia de Iwate al norte de Honshu, la mayor de las islas japonesas, y posteriormente se registraron anomalías en el tamaño de las olas en las costas de Hokkaido (al norte de Japón) y Kyushu (al sureste de Japón), así como en el archipiélago meridional de Okinawa (Figura 1.2).
Figura N 1.2 Daños ocasionados a los pobladores en las zonas costeras de Pisco, Perú. Fuente: DHN, 2010. 1.3. SITUACIÓN ACTUAL DE LA DIRECCIÓN DE HIDROGRAFÍA Y NAVEGACIÓN Actualmente, la Dirección de Hidrografía y Navegación recibe los mensajes de alerta del Centro de Alerta de Tsunamis del Pacífico (Pacific Tsunami Warning Center,PTWC) ante la posibilidad de ocurrencia de tsunamis en la cuenca del Pacífico, que tengan posible repercusión sobre nuestras costas. Además, se encarga de monitorear el evento tsunamigénico y emitir boletines de ejercicio, información, alerta y alarma a organismos nacionales e internacionales correspondientes ante la ocurrencia de un evento sísmico generador de tsunami, con el fin de contribuir en la seguridad de la población costera y bienes navales de la Marina de Guerra.
1.4. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA El Sistema Nacional de Alerta de Tsunamis no cuenta con un sistema de detección rápida de tsunamis de origen cercano en tiempo real que permita disminuir el tiempo de emisión de la alerta de tsunami a la población costera y embarcaciones navales. 1.5. HIPÓTESIS DE LA INVESTIGACIÓN La implementación de un sistema de Boyas DART o de un sistema de cables submarinos nos permitirá obtener en el menor tiempo posible la detección y pronóstico del tsunami desde el momento de su generación en el fondo oceánico hasta su inevitable arribo en costa. Para determinar el mejor sistema de detección de tsunamis se ha planteado las siguientes preguntas de investigación: Pregunta de investigación N 1 Qué alternativas de detección de Tsunamis existen para fortalecer el Sistema Nacional de Alerta de Tsunamis? Pregunta de investigación N 2 Cuál es el contraste entre el sistema de Boyas detectoras de Tsunamis y el Sistema de Cables Submarinos para la detección de Tsunamis? Pregunta de investigación N 3 De las nuevas alternativas existentes para fortalecer el Sistema Nacional de Alerta de Tsunamis, Cuál es la mejor alternativa para ser implementada en el Perú?
1.6. LIMITACIONES La limitación más resaltante en cuanto a la implementación de una Boya tipo DART ubicada en la cuenca del Pacífico frente a nuestras costas es la facilidad de ser vandalizada al igual que en otros países. Puesto que se encontraría expuesta en superficie. En adición, el litoral peruano ya cuenta con dos boyas tipo DART instaladas y administradas por la NOAA. Por otro lado, con respecto a la implementación de un sistema de Cables Submarinos, nuestro país no cuenta con la tecnología adecuada para su instalación por lo que se requeriría del apoyo de empresas extranjeras para llevarse a cabo. 1.7. DELIMITACIONES El desarrollo del trabajo de investigación propone la instalación de una boya tipo DART frente a las costas peruanas. Por otro lado, propone la implementación de un primer proyecto piloto único en América del Sur de un sistema de cables submarinos cuyos sensores detectan la generación de tsunamis, capaz de brindar datos en tiempo real, empleando sensores de presión conectados a tierra vía cables de fibra óptica submarinos que permitirá la visualización de los datos en el Centro Nacional de Alerta de Tsunamis con la finalidad de fortalecer el Sistema de Alerta de Tsunamis.
CAPÍTULO II SITUACIÓN ACTUAL DEL CENTRO NACIONAL DE ALERTA DE TSUNAMIS El Centro Nacional de Alerta de Tsunamis, es el ente principal en cuanto a la detección y monitoreo de tsunamis que en la actualidad cuenta con diversos sistemas de comunicaciones. Por ello, en este capítulo se expondrá la situación actual en la que se encuentra el Centro Nacional de Alerta de Tsunamis ubicado en la Dirección de Hidrografía y Navegación. 2.1. COMPONENTES DEL CENTRO NACIONAL DE ALERTA DE TSUNAMIS El Perú como miembro de la Comisión Oceanográfica Intergubernamental (COl) y del Sistema Internacional de Alerta de Tsunamis del Pacífico, tiene a su cargo la dirección del Sistema Nacional de Alerta de Tsunamis (SNAT), organismo creado en 1970 para las acciones de prevención ante la ocurrencia de tsunamis. El SNAT tiene como representante oficial a la Dirección de Hidrografía y Navegación (DHN) de la Marina de Guerra del Perú. Este Sistema está basado en cuatros componentes (Figura N 2.1) que contribuyen y complementan la información necesaria para la toma de decisiones, estos son: la componente sísmica a cargo del Instituto Geofísico del Perú (IGP), la componente Oceanográfica a cargo de la DHN, la componente de Educación a cargo del Ministerio de Educación y la componente de Atención al Riesgo a cargo del Instituto Nacional de Defensa Civil (INDECI),
quienes deberán trabajar coordinadamente y brindar el apoyo técnico necesario de prevención y mitigación ante la ocurrencia de tsunamis. Figura N 2.1. Componentes del SNAT. Fuente: DHN, 2011 Para fines de coordinación, el Sistema Nacional de Alerta de Tsunamis, mantiene una estrecha relación con varios organismos públicos, tales como: Instituto Nacional de Defensa Civil (INDECI) Instituto Geofísico del Perú (IGP) Corporación Peruana de Aeropuertos y Aviación Comercial (CORPAC) Empresa Nacional de Puertos (ENAPU) Autoridad Portuaria Nacional (APN) En tal sentido, la DHN evalúa la ocurrencia de tsunamis cuando el sismo es de origen lejano o cercano. En caso de ocurrir sismo de origen lejano, la DHN recibe información del Centro de Alerta de Tsunamis del Pacífico (PTWC), proveniente de Hawaii, a través de la Corporación Peruana de Aeropuertos y Aviación Comercial (CORPAC) ubicado en el Aeropuerto Internacional Jorge
Chávez. Y si existe riesgo de tsunami, se transmite la alerta de acuerdo al protocolo de comunicación del Flujograma del SNAT, en el cual está el Centro de Operaciones del INDECI, organismo encargado de las medidas de prevención dirigido a la población (Figura N 2.2). Para el caso de un sismo de origen cercano, la DHN recibe información del Centro de Prevención de Alerta de Tsunamis del Pacífico (PTWC), y del IGP a través de la Red Sísmica Nacional, la cual envía los parámetros del sismo (magnitud, epicentro, profundidad); y si existe el riesgo de tsunamis en nuestras costas, la Dirección de Hidrografía y Navegación transmite la alerta siguiendo el protocolo de comunicaciones del flujograma descrito líneas abajo, sobre el arribo del tsunami en forma rápida, segura y eficiente para ser difundida a la población y así activar los planes de evacuación. Figura N 2.2. Organigrama del Sistema Nacional de Alerta de Tsunami (SNAT) ante la ocurrencia de tsunamis en el Perú. Fuente: Dirección de Hidrografía y Navegación, 2010
El SNAT está conectado con una serie de instituciones para recibir y transmitir información sobre alertas respectivas mediante los siguientes sistemas: 2.2. SISTEMA DE COMUNICACIONES 2.2.1. Sistema AFTN El mensaje de alerta de un tsunami proveniente de Hawaii, se recibe a través de la Corporación Peruana de Aeropuertos y Aviación Comercial (CORPAC), ubicada en el Aeropuerto Internacional Jorge Chávez, vía Red de Comunicaciones Fijas Aeronáuticas (AFTN). La Dirección de Hidrografía y Navegación del Perú al recibir la alerta, mantiene comunicación con el Sistema Internacional para evaluar el posible riesgo de ocurrencia del tsunami que puede afectar nuestro litoral. Este sistema está próximo a ser reemplazado por el Sistema de Gestión de Mensajería Aeronáutica (AMHS) el cual reemplazará la transmisión por fibra óptica entre CORPAC-DHN por la Red Privada Virtual (RPV). 2.2.2. Sistema telefónico Punto a Punto La DHN mantiene un sistema de comunicación fija vía teléfonos punto a punto entre los integrantes del SNAT: Corporación Peruana de Aeropuertos y Aviación Comercial (CORPAC), el Instituto Geofísico del Perú (IGP) y el Instituto de Defensa Civil (INDECI) para asegurar el flujo de información, aún si se interrumpiera el fluido eléctrico durante una emergencia. 2.2.3. Sistema de Comunicación Radial VHF Se cuenta con un sistema de comunicación radial VHF Red 800 a nivel de capitanías de puerto y Red 810 a nivel de la Región de Lima y Callao, se opera mediante la transmisión de voz a corta distancia, en las frecuencias y canales radioeléctricos atribuidos por el Ministerio de Comunicaciones, para realizar
actividades de prevención, vigilancia, alerta temprana, atención y coordinación de emergencias ante la eventualidad de un tsunami. 2.2.4. Sistema de Telefonía Satelital Se cuenta con un sistema de comunicación satelital IRIDIUM que es un servicio de telefonía móvil por satélite con una cobertura total de la tierra (incluyendo océanos, vías aéreas y regiones polares). Este sistema permite la comunicación por cada capitanía de puerto en todo el litoral costero. 2.2.5. Sistema EMWIN Sistema recién adquirido que proporcionará recepción, visualización y almacenamiento de imágenes, textos de emergencia y observaciones meteorológicas transmitidas por el satélite geoestacionario GOES, el cual es utilizado por el Pacific Tsunami Warning Center (PTWC) para emitir a la DHN las alertas de tsunami. 2.3. SISTEMA DE MONITOREO SÍSMICO 2.3.1. Sistema TREMORS Permite evaluar en tiempo real, el riesgo de tsunami a través del momento sísmico. Este sistema sismológico automático permite monitorear la actividad sísmica y detectar los sismos potencialmente generadores de tsunami. Está integrado por una estación sísmica que procesa en tiempo real las señales sísmicas y obtiene los parámetros de un evento, lo que permite obtener una estimación cuantitativa del riesgo de tsunami en la costa del Perú, para eventos de origen lejano.
2.3.2. Sistema CISN (California Integrated Seismic Network) La Red Sísmica Integrada de California es un sistema de monitoreo sísmico a nivel de la Cuenca del Pacífico en tiempo casi real, que funciona a través de comunicación IP (vía Internet). El sistema CISN muestra gráficamente una alerta de la sismicidad, así como también información relevante sobre el sismo considerado. Este programa proporciona información y herramientas necesarias para que el operador de la Sala de Alerta de Tsunamis tome las decisiones importantes en caso de un evento de gran magnitud. 2.4. SISTEMA DE MONITOREO DEL NIVEL DEL MAR 2.4.1. Red de Estaciones Mareográficas Son estaciones mareográficas que pueden detectar cambios en el nivel del mar que anteceden a un Tsunami. Con el propósito de optimizar el sistema de monitoreo de la Red Mareográfica, hoy se tiene instaladas diez mareógrafos digitales GEONICA modelo DATAMAR 3000C, con sensor tipo radar, los cuales están instalados en las localidades de: La Cruz, Talara, Paita, Isla Lobos de Afuera, Callao, Chimbote, Pisco, San Juan, Matarani e Ilo, con el fin de monitorear en tiempo real, vía línea telefónica y satelital, la información del nivel del mar y poder verificar la ocurrencia y avance de las ondas del tsunami a lo largo de la costa del Perú. Como respaldo a la red digital GEONICA, la DHN cuenta con estaciones mareográficas. En adición, se cuenta con otros sensores para la medición de parámetros como: temperatura de agua de mar y aire, oxígeno, salinidad, humedad relativa, presión atmosférica, dirección y velocidad del viento, precipitación, etc. Asimismo cada estación cuenta con la atención constante de un observador océano-meteorológico quien se encarga de la operatividad y buen funcionamiento de los equipos instalados.
CAPÍTULO III USO DE SENSORES DE PRESIÓN PARA LA DETECCIÓN DE TSUNAMIS Como se planteó al inicio, el presente capítulo se orienta a responder a la pregunta de investigación N 1, mostrando las nuevas alternativas existentes con el fin de fortalecer el Sistema Nacional de Alerta de tsunamis (SNAT). En primer lugar, se expondrá el Sistema de Boyas detectoras de tsunamis tipo DART, los sistemas de cables submarinos del proyecto DONET de Japón y finalmente del proyecto NEPTUNE de Canadá. 3.1 SISTEMA DE BOYAS DETECTORAS DE TSUNAMIS DART El sistema DART, fue desarrollado originalmente por el Laboratorio Ambiental Marino del Pacífico (Pacific Marine Environmental Laboratory, PMEL) y operado por el Centro Nacional de Datos de Boyas (National Data Buoy Center, NDBC) de la NOAA como parte del Programa Nacional de Mitigación de Amenaza de Tsunamis (National Tsunami Hazard Mitigation Program) de los Estados Unidos (Spillane et al. 2010). El proyecto DART es un esfuerzo para mantener y mejorar la capacidad de detección temprana e informar en tiempo real de la existencia de tsunamis en mar abierto. La NOAA ha instalado un Sistema de Evaluación del Fondo Oceánico e Informe de Tsunamis (DART ) cuyas boyas se encuentran en el mar de diferentes océanos, como el Pacífico y Atlántico. El propósito de la red de boyas tipo DART es asegurar la detección temprana de tsunamis, independientemente
de cómo se generen (Bernard, 2005) y adquirir datos críticos en tiempo real para pronosticarlos. En el 2008, la NOAA terminó la instalación de 39 estaciones de Boyas DART que en la actualidad conforman la red del Sistema de Alerta de Tsunamis en el mundo. Ver figura N 3.1 Figura N 3.1. Ubicación geográfica de las 43 estaciones de boyas DART frente a los países de la Cuenca del Pacifico, operados desde distintos países como Australia, Chile, Indonesia, Tailandia, y Estados Unidos. Cada DART tiene el mismo sensor presión y tecnología. La información en tiempo real puede ser vista en: http://www.ndbc.noaa.gov/dart.shtm. 3.1.1. Ubicación de Estaciones de Boyas DART en Sudamérica A continuación se detalla la ubicación de las estaciones de Boyas DART en América Latina, iniciando desde Panamá hasta Chile (NOAA, 2011).Ver figura 3.2. 1. Estación 32411 Se encuentra a 710 NM al Oeste-Sur Oeste de la Ciudad de Panamá, es gestionada y pertenece al Centro Nacional de Datos de Boyas (NDBC),
esta boya se encuentra funcionando en la actualidad 1. Se encuentra ubicada en Latitud: 4.947 N y Longitud: 90.654 O (4 56'50 "N 90 39'13" O) 2. Estación 32413 Se encuentra a 1000 NM al Oeste Noroeste de Lima, Perú; pertenece y es gestionada por el Centro Nacional de Datos de Boyas (NDBC). Esta boya se encuentra funcionando con normalidad 2 Boya. Se encuentra ubicada en Latitud: 7.397 S y Longitud: 93.500 O (7 23'48 "S 93 30'0" O). Particularmente esta Boya tipo DART fue re-establecida el 23 de Agosto del 2010 sustituyendo a la Boya DART 51406. 3. Estación 32412 Esta Boya se encuentra a 630 NM suroeste de Lima, Perú; pertenece y es gestionada por el Centro Nacional de Datos de Boyas (NDBC). En la actualidad, se encuentra funcionando con normalidad 3. Su ubicación es Latitud: 17.975 S y Longitud: 86.392 O (17 58'30 "S 86 23'30" O) 4. Estación 32401 Se encuentra a 260 NM al oeste-suroeste de Arica Chile, pertenece y es administrada por el Servicio Hidrográfico y Oceanográfico de la Armada de Chile (SHOA). Se encuentra ubicada en Latitud: 19.287 S y Longitud: 74.731 O (19 17'14 "S 74 43'52" O). Actualmente esta estación no se encuentra en funcionamiento 4. 1 Fuente: Comunicación telefónica con el Operador de guardia del Centro de Alerta de Tsunami del Pacífico (PTWC) de fecha 14 de Octubre del 2011 2 Fuente: Comunicación telefónica con el Operador de guardia del Centro de Alerta de Tsunami del Pacífico (PTWC) de fecha 14 de Octubre del 2011 3 Fuente: Comunicación telefónica con el Operador de guardia del Centro de Alerta de Tsunami del Pacífico (PTWC) de fecha 14 de Octubre del 2011 4 Fuente: Comunicación telefónica con el Operador de guardia del Centro de Alerta de Tsunami del Pacífico (PTWC) de fecha 14 de Octubre del 2011
Figura N 3.2 Estaciones de Boyas DART entre Panamá y Chile. Fuente: Google Earth adaptado del NDBC (National Data Buoy Center) de la NOAA. 3.1.2. Descripción General Sistema DART Este sistema consiste en un sensor de presión instalado en el fondo marino y en una boya anclada que se encuentra en superficie para las comunicaciones en tiempo real a través del satélite Iridium (González et al., 1998). Los datos se transmiten a través de un enlace acústico desde el sensor en el fondo marino hasta la boya en superficie. Posteriormente, los datos son retransmitidos vía satélite y a su vez transmitidos inmediatamente a los centros de alerta de tsunamis. Los datos del sistema DART, usan una moderna tecnología de modelación numérica, y son parte de un sistema de detección de sismos submarinos generadores de tsunamis.
3.1.3. Partes específicas del sistema de boyas DART El sistema de boyas DART está conformado por cuatro partes: Tsunámetro, conformado por sensor de presión y transreceptor emite la señal tsunamigénica a la boya en superficie. Boya en Superficie, es el nexo entre el tsunámetro y el satélite, conformado por GPS y transreceptor Satélite Iridium, es el nexo entre la boya en superficie y la estación en tierra. Estación en tierra, centro encargado del monitoreo de la señal tsunamigénica detectado por el tsunametro. Figura N 3.3: Funcionamiento del Sistema de Boyas DART. Fuente: (U.S. Agency for International Development,2007, http://nctr.pmel.noaa.gov/dart /
3.3. SISTEMA DE CABLES SUBMARINOS La tendencia de investigación y crecimiento científico, ha llevado a desarrollar nuevos sistemas para diversos propósitos debajo del agua tales como: el monitoreo de eventos sísmicos y tsunamigénicos, observaciones submarinas, estudios oceanográficos, entre otros, para saber la realidad del fondo oceánico. Estudios sobre el ámbito climático y otros estudios de diferentes ciencias han sido logradas por la implementación de observatorios submarinos tanto en Canadá, con el programa NEPTUNE y VENUS; en China con el programa MACHO; en Estados Unidos con el programa MARS y OOI; en Japón con el programa DONET y en Europa con los programas ESONIM y EMSO. Cabe resaltar, que el ímpetu del desarrollo de este sistema de cables submarinos tiene la finalidad específica de obtener información en tiempo real de lo que acontece en el fondo oceánico. Los Sistemas de Cables submarinos más importantes de la cuenca del Pacífico son: el programa desarrollado por Canadá NEPTUNE y el desarrollado por Japón DONET que serán explicados más adelante. En la imagen N 3.6 se podrá visualizar la carencia de un sistema de cables submarinos en Sudamérica para la obtención de data en tiempo real de cualquier índole que se desee observar del fondo marino.
? Figura 3.4 Observatorios submarinos de larga duración de vida. Fuente: Ph.D Jean-François Rolin, Jefe del Departamento de Observatorios Científicos submarinos de Europa. 3.3.1. PROYECTO DE LA RED DENSA OCEÁNICA PARA TERREMOTOS Y TSUNAMIS (DENSE OCEANFLOOR NETWORK SYSTEM FOR EARTHQUAKES AND TSUNAMIS, DONET) 3.2.1.1. Descripción General del Sistema DONET DONET es un programa de desarrollo de vigilancia de terremotos y tsunamis que se viene desarrollando desde abril de 2006 hasta la actualidad. Este resultado ha demostrado que lo más importante en la implementación de este sistema son los instrumentos y la ingeniería aplicada en éste. Los observatorios en el fondo marino proporcionan un conjunto de datos precisos nunca antes medidos en el fondo del mar. Los diferentes sensores están instalados en el fondo del mar y se conectan al sistema de cable principal en el año 2011. Los objetivos de la Red Densa Oceánica para Terremotos y Tsunamis (DONET), es permitir el monitoreo y el almacenamiento de data tanto para pequeños y grandes terremotos, así como deslizamientos en el límite de las placas y detección de Tsunamis, por lo que cuentan con sismómetros de precisión y
medidores de presión (Hishiki et al., 2010) Los datos de DONET son distribuidos a la Agencia de meteorología de Japón, al gobierno local, y a las comunidades de investigación en tiempo real en un futuro próximo (Kawaguchi et al., 2011). El sistema DONET consta de tres componentes principales: Sistema de cables. Nodo ciencia reemplazables. Instrumentos de medición extensible. 3.3.1.1.1. Descripción del sistema de cable principal El sistema de cable principal ofrece la alimentación de energía y es el canal de comunicación de la estación en tierra con el equipo en el fondo del mar. Este sistema se conecta a partir de cables submarinos recientemente desarrollados para satisfacer el requisito de alta fiabilidad para la observación de 20-25 años sin problemas. (Información brindada por el Ph.D Katsuyoshi Kawaguchi, setiembre 2011) Posee amplificadores ópticos (repetidores) ubicados cada 40-60km para transmitir la señal sin degradación de la misma. En adición, el sistema cuenta con unidades de ramificación (Breanching Units, BU) usadas como interfaz del nodo ciencia. Esta unidad controla la alimentación de alto voltaje en el sistema de recorrido de alimentación del cable principal.
Figura N 3.5 Estructura del sistema submarino DONET conformado por estación en tierra el sistema de cables principal de los cuales se desprenden los observatorios. Fuente: KAWAGUCHI, 2010. 3.3.1.1.2. Descripción del Nodo Ciencia 5 El nodo ciencia, es un dispositivo con la función de conectar el sistema de cables submarinos principal con los instrumentos y con la estación en tierra. La distribución de energía del sistema de control tiene un mecanismo para equilibrar el consumo constante de energía del nodo ciencia. Esta función es esencial para el seguimiento del estado de la red de observatorios. El sistema de control de transmisión de datos maneja los enlaces de datos y precisa el tiempo entre el instrumento de medida y el equipo en tierra, empleando un tiempo de sincronización preciso. El sistema de transmisión hace posible la sincronización de alta precisión de tiempo entre el reloj del GPS en el equipo terminal y el instrumento de medición en el fondo del mar. El 5 Marca registrada por ser creación de Japan Agency for Marine-Earth Science and Technology JAMSTEC
circuito de tiempo se desarrolla con la sincronización de tiempo de menos de 1 microsegundo en este proyecto (Noriyuki, 2010) 3.3.1.1.3. Descripción de Sensores de Presión Para la detección de tsunamis y deformación del fondo marino posee sensores de presión de cuarzo. En adición, se cuenta con medidores de presión diferencial para observar las ondas sísmicas de banda ancha como un pequeño cambio de presión del fondo marino de Hz 1 / 200 a 20 Hz, Un medidor de presión diferencial es muy sensible y puede detectar cambios de presión de 0,1 Pa o menos en las frecuencias de 0.02-0.08 Hz, donde los terremotos de muy baja frecuencia son conocidos por ser observado. Por último este complejo y sofisticado sistema cuenta con hidrófonos para observar las ondas acústicas de alta frecuencia. (Kenji Hishiki, 2010 ) 3.3.1.1.4. Descripción de los instrumentos de medición extensible Instrumentos del observatorio submarino DONET (http://w3.jamstec.go.jp/jamstec-e/maritec/donet/project/index.html) Figura N 3.6 termómetro Figura N 3.7 CTD
Figura N 3.8 Medidor de corriente Figura N 3.9 ADCP Figura N 3.10 De izquierda a derecha hidrófono y Sensor de tsunamis 3.3.1.1.5. Escenario de la Construcción del Observatorio. La figura 3.11 muestra el escenario de construcción de DONET. El sistema de cable principal implementado en el lecho marino, que con diversos tipos de cables submarinos, repetidores y sensores se llevó a cabo por una embarcación de tendido de cables e instalación del sistema tomando en cuenta la lista de rutas de posición recomendada. La implementación del nodo ciencia se realizó con el vehículo operado por control remoto (Remote Operatinal Vehicle, ROV). Tras la instalación de éste se procede a instalar los demás componentes del observatorio y se continúa con la operación e extensión de cable. El sensor de presión es instalado en un cilindro para ser enterrado en el fondo marino, con el fin de reducir el ruido de fondo, la variación de la temperatura del agua y otros efectos del medio ambiente (E. Araki et al,2008)( S. Kaneko,2009)
Figura N 3.11 Escenario Operación del ROV en la construcción del Observatorio DONET, Fuente: KAWAGUCHI, 2009 El sistema de cables principal de DONET (cables submarinos, los repetidores y unidades de unión) se instala en el fondo del mar por el método convencional de tendido de cable. El nodo ciencia y el observatorio son construidos por el ROV sobre el fondo del mar después de la instalación del cable del sistema principal. Características de Carga Como se muestra en el escenario de la construcción del observatorio, la instalación nodo ciencia, y la extensión sistema de cable se llevan a cabo por el ROV, el cual es un equipo utilizado para trabajos de construcción en el fondo marino capaz de manejar las cargas sin dificultad (Kawaguchi, 2007) Todos los componentes del nodo ciencia son integrados con titanio para poder ser sembrado a profundidades mayores de 5000m y resistir a las condiciones ambientales del fondo marino a lo largo del tiempo, donde se observa los sensores de presión y los sismómetros colocados en un recipiente de presión de
aleación de titanio. El peso total del sistema de cable de extensión de 10,6 kilómetros es 6.52kN en el aire y 2.28Kn en agua de mar. Figura N 3.12 De izquierda a derecha: Apariencia del nodo Ciencia de DONET Y observatorios de DONET. Fuente: KAWAGUCHI,2009 El sistema de tendido de cables está diseñado para realizar la operación de extensión de cables, y realiza otras operaciones (por ejemplo, la recuperación del cable, la instalación del nodo ciencia, la construcción e instalación del observatorio) mediante la adición de modificaciones mecánicos. 3.2.5.2. Proyecto de la Red Experimental Submarina en Tiempo Real del Noreste del Pacífico (NEPTUNE) 3.2.2.1. Descripción general del Sistema Neptune-Canadá El programa NEPTUNO Canadá, es la primera red de observatorio oceánico bajo el agua de América que se conecta directamente a Internet a través de cables de fibra óptica submarinos, colocados en la zona más sensible del fondo oceánico de Canadá en la Placa Juan de Fuca. Con los diferentes instrumentos y sensores colocados en el lecho marino se obtiene data que es transmitida a gran velocidad por el cable principal de fibra óptica a la Universidad de Victoria, el cual puede ser visualizado vía internet, lo novedoso de este proyecto es el tiempo de vida útil de 25 años que proveerá de datos en tiempo real de diferentes instrumentos siendo uno de los principales el sensor
de presión colocado en el lecho marino para la detección de tsunamis. Este sistema consiste, de manera análoga al proyecto DONET de Japón con los siguientes componentes principales: Sistema de cable principal Nodo Instrumentos conectados al nodo Figura N 3.13 Observatorio submarino de NEPTUNE- Canadá. Fuente: http://www.neptunecanada.ca/about-neptune-canada/ 3.2.2.1.1. Descripción del Sistema de Cable Principal El cable principal es el encargado de llevar la energía y la comunicación bidireccional a través del cable de fibra óptica por toda la red. Estableciendo diferentes grados de blindado de cable submarino utilizados en diferentes secciones de la red, en función de la rugosidad del fondo marino.
3.2.2.1.2. Descripción del nodo Permiten una amplia gama de funciones importantes y críticas para la red, cada nodo se comunica a través de la red de fibra óptica utilizando su propia longitud de onda específica de luz. Los nodos también convierten la energía de entrada de 10 kv a 400 v para suministrarla hasta a 6 cajas de unión. Figura 3.14 Estructura externa del nodo. Fuente: http://dmas.uvic.ca/ 3.2.2.1.3. Descripción de los Instrumentos de Medición Extensible Repetidores Son amplificadores ópticos, aumentan la señal óptica para evitar la pérdida de datos. La distancia entre repetidores es de aproximadamente 60 km. Las unidades de ramificación también contienen amplificadores ópticos. Unidades de ramificación Son las encargadas de la distribución de la potencia y de las comunicaciones a través de acopladores ópticos desde el cable principal a los nodos de la red. Todos los datos se realizan en ambas direcciones a través de los cables de estímulo y de los nodos, lo que garantiza que las comunicaciones se mantienen con todos los instrumentos, incluso si se dañase alguna parte a lo largo del cable principal. Los amplificadores ópticos también están integrados en cada unidad de ramificación
Cajas de conexión Proporcionan energía y comunicación a los instrumentos. Hasta 10 interfaces se puede conectar a cada caja de conexión, las cuales pueden ser conectadas en cascada. Los sensores e instrumentos sembrados en la red de Neptuno Canadá irán siendo perfeccionados con el desarrollo tecnológico. Es por ello, que los instrumentos antiguos podrán ser cambiados por unos mejores. Ningún tipo de instrumento va enterrado a diferencia del sistema implementado por Japón- DONET. En adición, el Sistema de NEPTUNE cuenta con diversos instrumentos como medidor de conductividad, temperatura, profundidad; Medidor acústico de corriente DOPPLER; Hidrófonos, sonares y ecosondas; Sensores de presión; Sensores de gas y químicos para la medida de dióxido de Carbono, oxígeno, metano, nitratos, etc.; Sismómetros, gravímetros y acelerómetros; video cámaras de alta resolución con luces; Sensores de turbidez y trampas de sedimentos; Cámaras de simulación de flujo bentónico. Figura N 3.15 Instrumentos instalados en una plataforma, Saanich Inlet, Setiembre 2008. Desde la izquierda hacia la derecha: hidrófono, sonar rotativo, medidor de corriente, un ADCP y un sensor de presión, Fuente:http://www.neptunecanada.ca/sensors
CAPÍTULO IV DETERMINACIÓN DEL MEJOR SISTEMA DE DETECCIÓN DE TSUNAMIS Tras el conocimiento de las nuevas alternativas existentes para fortalecer el Sistema Nacional de Alerta de Tsunamis, en el presente capítulo se hace un análisis del estudio para posicionamiento de una Boya tipo DART frente a nuestras costas hecho por el Dr. Michael Spillane de la NOAA, además, se establecerá el contraste entre el Sistema de Boyas detectoras de Tsunamis tipo DART y el Sistema de Cables Submarinos dando respuesta a la pregunta de investigación N 2, para posteriormente plantear la mejor alternativa a ser implementada en el Perú con lo que se daría respuesta a la pregunta de investigación N 3. 4.1. CONTRASTE ENTRE EL SISTEMA DE BOYAS DART Y EL SISTEMA DE CABLES SUBMARINOS PARA LA DETECCIÓN DE TSUNAMIS 4.1.1. Estudio de la mejor ubicación de la boya DART en Perú Frente a las costas del Perú se cuenta con dos boyas detectoras de tsunamis DART, una al norte de Tumbes y otra al sur de Tacna, monitoreadas y administradas por la NOAA. En caso de la ocurrencia de un sismo submarino
que genere tsunami frente al Callao o alrededor de la costa central, nuestro sistema de alerta se encuentra desprotegido con instrumentos que permitan el monitoreo del evento Debido a que no se cuenta con una boya frente a la parte central de la costa peruana, existe una necesidad de implementar un instrumento que permita obtener información en tiempo real en la detección de un evento sísmico ocurrido. Durante el año 2010, el Dr. Michael C. Spinalle de la NOAA, hizo un estudio científico con respecto al sistema de boyas tipo DART en Sudamérica, centrándose en la posible ubicación de una boya DART frente a la costa central del Perú y Ecuador, con el fin de mejorar tanto los tiempos de detección y la calidad de los pronósticos locales beneficiando a los países de la Cuenca del Pacífico. Spillane estableció las siguientes consideraciones para la mejor ubicación de las boyas DART II en Sudamérica: 1. La profundidad del agua y corrientes: la boya DART sólo se puede implementar en profundidades de agua entre 1500 y 6000 metros. Debido a la necesidad de una boya de superficie, además se debe evitar la ubicación de ésta en una zona de fuerte corriente. 2. Rugosidad del fondo: Una boya DART necesita comunicarse acústicamente con la unidad de superficie. Para que esto funcione, el fondo del mar deberá ser bastante plano. Lo cual es una restricción batimétrica, por lo que se debe evitar las zonas de fuertes gradientes de profundidad, o zonas propensas a deslizamientos submarinos de tierra. 3. Ondas sísmicas: Si una boya DART se encuentra muy cerca al evento sísmico que genera un tsunami, el sismo en el fondo del mar puede causar fluctuaciones BPR no relacionadas con el paso de las ondas de tsunami. Este ruido sísmico puede ser evitado mediante la ubicación de los instrumentos a una distancia, que permita más de 30 minutos de tiempo de viaje de la onda de tsunami, desde el epicentro más cercano.
4. Dispersión del tsunami: de la consideración de rugosidad de fondo oceánico relacionada con la batimetría local, se debe evitar la presencia de las fosas submarinas y otras características del fondo marino en los posibles hipocentros del tsunami. El completo sistema de detección y predicción funciona a través del método de inversión de la forma de onda de tsunami, de un tren de ondas para extraer las características de la fuente del tsunami. 5. Problemas de tiempo: de la consideración de ondas sísmicas, se sugiere que la boya DART no debe colocarse cerca al área de fuentes potenciales de tsunamis. Por el contrario, si se sitúan demasiado lejos del hipocentro, la detección del tsunami se prolongaría. Es por ello, que el lugar más adecuado para sembrar un boya DART epicentro. deberá ser mi muy lejos ni muy cerca al 6. Detectabilidad: Hasta llegar a la costa, una onda de tsunami en el océano abierto puede tener sólo una amplitud de unos pocos centímetros. Mientras que la influencia de las olas de viento más fuertes, es en gran parte filtrado por un registro BPR, existe un umbral de ruido de unos pocos milímetros, que limita la posibilidad de detectar las señales de tsunami débiles. 8. Redundancia: La boya de superficie DART puede fallar, y la reparación o sustitución probablemente no sea una opción inmediata. Por supuesto, los tsunamis no ocurren todos los días, pero sin embargo, se debe considerar la redundancia en la matriz. No en el sentido de tener varias boyas DART s, sino teniendo una densa cantidad focalizada de boyas DART, en especial en las zonas cercanas las fallas debido al alto riesgo. Es por ello, que la cantidad de boyas en esas áreas son mayores para proporcionar una respuesta oportuna, de alta calidad de la señal.
Figura N 4.1 Se muestran las estaciones DART N 43412, N 43413, N 32411, N 32411, N 32413, N 32412, N 32401 propuestas y existentes en las inmediaciones de Perú. Fuente: Spillane, 2010 En conclusión, el resultado de adquirir una boya DART será para obtener un monitoreo de un tsunami de origen lejano, que se utilizará en la emisión de boletines de alerta o evacuación. 4.1.2. Ubicación de la boya En base a los criterios establecidos en el análisis del Dr. Michael C. Spillane, se ha determinado la siguiente ubicación para la boya DART Latitud = -12.3381 Longitud = -81.7236 Profundidad = 4750 m Este punto estaría ubicado en el mar frente al Callao, y a 500 km al oeste del Callao. Según los resultados de modelamiento numérico con el software SIFT
Figura N 4.2 Este punto estaría ubicado en el mar frente al Callao, y a 1390 km al oeste del Callao. Según los cálculos efectuados modelo numérico realizado por Michael en el 2010. Fuente: Spillane, 2010. Una vez obtenido la recomendación de la mejor ubicación de la boya DART frente a la costa central, se investigaron las siguientes propuestas económicas para evaluar el proyecto: SISTEMAS DE BOYAS DETECTORAS DE TSUNAMIS EMPRESA SAIC ENVIRTECH BOYA DART $1 500,000 $1 700,000 INSTALACIÓN $ 275,000 $ 300,000 SOFTWARE $1 300,000 $1 700,000 OTROS $ 240,000 $ 250,000 TOTAL $2 800,000 $3 000,000 Tabla N 4.1 Propuesta económica del costo de una boya detectora de tsunamis. Fuente: EMPRESA SAIC y ENVIRTECH
4.2. ANÁLISIS SUSTENTATORIO DE LA MEJOR OPCIÓN Con el fin de fortalecer el Sistema Nacional de Alerta de Tsunamis (SNAT), se establecerá un análisis comparativo mostrando las ventajas y desventajas entre el Sistema de Boyas detectoras de Tsunamis y el sistema de Cables Submarinos en el Perú. Es por ello, que para este análisis se han tomado las siguientes consideraciones: Capacidad de detección El sistema de boyas detectoras de tsunamis, son específicamente para tsunamis de origen lejano, en cambio con un sistema de cables submarinos que proporciona conectividad en tiempo real permite la detección de tsunamis tanto de origen lejano como cercano. (John Orcutt, 2010) Braveza del mar Desde el punto de vista ambiental, el sistema de boyas DART es muy sensible a las corrientes oceánicas, es por ello que éste sistema no se puede instalar cerca a costa. Por otro lado, el sistema de cables submarinos es una robusta red que no se ve afectada por las corrientes 6 debido a que se los instrumentos se encuentran dentro del fondo marino Con la experiencia obtenida a partir del proyecto NAYLAMP en la DHN, se llegó a determinar que la braveza del mar es un factor importante en cuanto al tiempo de vida útil de la boya. Por ejemplo la boya San pablo tras dos eventos de vandalismo, fue encontrada en la isla de Upolu, localizado en Samoa. En cambio, los sensores de presión instalados en el sistema de cables submarinos se encuentran en el fondo marino lo cual asegura la estabilidad del sistema. 6 (Comunicación vía E-mail con Ph. D. Katsuyoshi Kawaguchi, octubre 2010)
P 0 P 1 Figura N 4.3 Mapa donde se aprecia el efecto de la braveza del mar sobre la Boya San Pablo de NAYLAMP (El Niño Actual y Las Anomalías Medidas en el Pacífico), posición inicial (P0) y final (P1) de la boya. Fuente: Departamento de Oceanografía DHN, 2011. Mantenimiento del sistema operativo En cuanto al sistema de boyas DART las pilas del sensor deben ser cambiadas cada dos años y el sistema cada 4 años en su totalidad, lo cual implicaría el uso de una embarcación especializada que nos pueda brindar este servicio, de manera que generaría un gasto adicional cada dos años durante los 4 años de vida útil de la boya detectora. Mientras que, el sistema de cables submarinos no necesita de mantenimiento durante los 25 años de vida que éste pueda tener, lo que nos asegura un periodo largo de vida de transmisión sin interrupciones 7 7 Comunicación vía e-mail con el Ph.D Katsuyoshi KAWAGUCHI, octubre 2010, y Página web del programa NEPTUNE: http://www.neptunecanada.ca)
Vandalismo A pesar del ingenio del ser humano para camuflar o implementar diferentes estructuras a las boyas oceánicas, para evitar ser vandalizadas, aún en diferentes países del mundo esto es una realidad. Un caso particular de Perú, fue la implementación del proyecto NAYLAMP, conformada por cuatro boyas oceanográficas que después de haberlas sembrado con la estructura inicial libre de algún implemento que evite el vandalismo fueron vandalizadas (fuente: DHN, Dpto. de oceanografía) Figura N 4.4 Boya del proyecto NAYLAMP vandalizada. Fuente: DHN, 2011 Es por ello, que se realizó una inversión adicional implementando un sistema anti-vandalismo a la boya como se ve en la figura N 4.5, que sólo aplazaba el acto vandálico. Figura 4.5. Boya oceanográfica del Proyecto NAYLAMP. Fuente: DHN, 2011
Por otro lado, si establecemos un sofisticado sistema de cables submarinos con sensores de presión a 4000 m por debajo de la superficie del mar resguardamos la integridad del sistema. Alta confiabilidad La combinación de sismómetros y medidores de presión permite la discriminación entre un deslizamiento del fondo marino y un tsunami, hecho que quedó comprobado en el terremoto de Tokachi-Oki del 2003 puesto que por el uso de sensores cableados se obtuvo minutos adicionales en cuanto a la advertencia de la proximidad de un tsunami cerca a costa, mientras que las boyas DART tenían que estar más lejos de la fuente con el fin de que las ondas sísmicas de aguas más profundas sean distinguidas de las ondas del tsunami y las del océano, para ser registrados con el sensor presión del fondo marino en cada sitio de las boyas DART. Modo de comunicación y obtención de data En cuanto al uso de sistemas de boyas DART instaladas en su mayoría en la cuenca del Pacífico, se cuenta con la incorporación directa al Software de Predicción de Tsunamis, llamado SIFT (Short-term Inundation and Reporting of Tsunamis) desarrollado por la NOAA, para traducir esos datos y convertirlos en una predicción costera del tsunami (Comunicación vía E-mail con Dr. Diego Arcas) 8. Por otro lado, el sistema de cables submarinos cuenta con transmisión de datos vía internet, lo cual facilita el acceso a ellos que deben ser modelados y Monitoreados en tiempo real en la estación en tierra. 8 Dr. Diego Arcas, Investigador científico de National for Tsunamis Research Center, NTRC
Conectividad de banda ancha Los sistemas de cables submarinos permiten la conectividad de banda ancha con los sensores colocados en el lecho marino, capacidad de la cual carece el sistema de boyas DART (John Orcutt, 2010) Otros usos El sistema de boyas detectoras de tsunamis, tiene la única finalidad de detectar variación de presión en la columna de agua, en cambio el sistema de cables submarinos es expandible y múltiple. Al decir expandible, se afirma por el hecho de contar un nodo principal puede ser extendido con ramificaciones para otros instrumentos de medición, para un mejor monitoreo y detección que originen tsunamis en diferentes ubicaciones, por otro lado, al referirse como un sistema múltiple, expone de manera tentativa adicionar nuevos instrumentos de medición para tomar medidas físicas, químicas, geológicas, biológicas, que se necesiten obtener del fondo oceánico, despertando el interés de investigación en universidades peruanas u organizaciones nacionales y extranjeras que realicen estudios oceanográficos o subacuáticos, fomentando el desarrollo científico y económico del País. Rapidez y precisión de obtención de información El sistema de boyas detectoras de tsunamis tipo DART, obtienen y envían información obtenida por el tsunámetro en tiempo casi real. Mientras que, el sistema de cables submarinos permiten la obtención de data sobre la deformación del océano, derivada de los sensores de presión, para mejorar la simulación y modelamiento de tsunamis teniendo un archivo de registro a lo largo del tiempo. Siendo Japón el país con mayor desarrollo en cuanto a sistemas contribuyentes a la detección de tsunamis, científicos de la Agencia meteorológica de Japón (Japan Meteorological agency, JMA) realizaron un
estudio comparativo para apreciar la rapidez y precisión de obtención de datos de sus principales sistemas. Este análisis se llevo a cabo después del Tsunami de Tohoku del 2011 (Japón), tomando en cuenta la boya GPS, el sistema DONET y los mareógrafos de costa mostrado en la figura N 4.6 donde se demuestra que el primer sistema en detectar el tsunami de Tohoku, 2011 fue el sistema de DONET, después de 10 minutos, el tsunami fue detectado por la Boya GPS con datos distorsionados. Posteriormente, los mareógrafos de costa detectaron el tsunami veinte minutos después del sistema DONET, con una variación o distorsión de datos 3 veces mayor que la data de DONET. Figura N 4.6 A la izquierda se muestra el análisis hecho por JAM, a la derecha se observa la gráfica de los equipos de DONET (sismómetros, tsunámetros) ubicados a 80 km de costa, lo cual es una buena opción para detección de sismos de origen cercano. Fuente: Comunicación vía e-mail con el Ph. D. Katsuyoshi Kawaguchi, 2011 POR TANTO: Es recomendable la implementación de un sistema de Cables Submarinos en el Perú, debido a las diferentes ventajas que muestra en comparación con el sistema de Boyas DART. A partir de ello, se realizó un análisis comparativo costobeneficio a lo largo de los 25 años de vida útil del sistema de Cables Submarinos, para poder evidenciar que ésta inversión no sólo es factible en
cuanto a la precisión y fiabilidad de datos; sino también es un proyecto rentable que puede ser implementado en el Perú. Lo que conllevaría a establecernos como el primer país en Sudamérica que contase con un sistema de cables submarinos en sus costas. Análisis económico Al analizar la factibilidad y seguridad del sistema de cables submarinos se procedió a hacer un análisis de costos entre el sistema de boyas DART y el Sistema de Cables Submarinos. Siendo necesario estimar el monto económico aproximado de un Sistema de Cable Submarino para el Perú. De manera que se sostuvo conversaciones con la empresa Canadiense OceanWorks y la Dra Mairi Best de NEPTUNE para obtener una propuesta económica aproximada para implementar un Sistema de Cable Submarino en el Perú, el cual se muestra en la siguiente tabla: SISTEMA DE CABLES EQUIPOS MONTO CABLE $ 1,000,000.00 NODO $ 1,000,000.00 SENSORES $ 240,000.00 CONECTORES $ 144,000.00 INSTALACION $ 3,000,000.00 TOTAL $ 5,384,000.00 Tabla N 4.1. Precio estimado del Sistema de Cables Submarinos adaptado al Perú. Fuente: OceanWorks y Dra Mairi Best. A partir de la obtención de las propuestas económicas de ambos sistemas se hizo el análisis comparativo a lo largo de 25 años. Para ello, se ha tomado en cuenta:
Inversión Inicial de Proyecto piloto de Boyas DART y Sistema de Cables Submarinos mostrado en la figura N 4.7 donde se muestra la inversión inicial del sistema de Boyas DART ($ 2 800,000) y la inversión inicial del Sistema de Cables Submarinos ($ 5 384,000.00) INVERSIÓN INICIAL DE SISTEMA DE BOYAS DART Y SISTEMA DE CABLES SUBMARINO $6,000,000.00 $5,384,000.00 $5,000,000.00 $4,000,000.00 $3,000,000.00 $2,800,000.00 $2,000,000.00 $1,000,000.00 $- SISTEMA CABLES SISTEMA BOYAS Figura N 4.7 Inversión Inicial de proyecto piloto del Sistema de Boyas DART e inversión inicial del proyecto Piloto del Sistema de Cables Submarinos. Fuente: SAIC y OceanWorks. Mantenimiento de proyecto piloto de Boyas DART y Sistema de Cables Submarinos en un periodo de 25 años. Mostrado en la figura N 4.8. donde se muestra a partir de barras el costo de mantenimiento que originan las boyas DART a los dos años de la instalación ($1 000,000) y el cambio total del sistema al término del periodo de vida útil de éste ($2 800,000). Así, como el mantenimiento a los 10 años que se le da a los sensores submarinos instalados en el lecho marino del sistema de Cables Submarinos ($1 500,000)
COSTO (DOLARES) MANTENIMIENTO PERIÓDICO DE SISTEMA DART VS. SISTEMA DE CABLES SUBMARINOS 3000000 2000000 1000000 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 SISTEMA CABLES SISTEMA BOYAS Figura N 4.8 Mantenimiento de Proyecto Piloto de Boyas DART y de Cables submarinos en 25 años Análisis comparativo de costos de los Sistemas de Cables Submarinos y de los Sistemas de Boyas DART mostrado en la figura N 4.9 donde se analiza el costo total de los proyectos pilotos a lo largo de 25 años tomando en cuenta la inversión inicial y el mantenimiento de los mismos. ANÁLISIS ECONÓMICO COMPARATIVO ENTRE SISTEMA DE BOYAS DART Y SISTEMA DE CABLES SUBMARINO $35,000,000 $30,000,000 $25,000,000 $20,000,000 $15,000,000 $10,000,000 $5,000,000 $- $28,600,000 $ 28' 600,000 $ 8' 384,000 $8,384,000 0 5 10 15 20 25 30 SISTEMA CABLES AÑOS SISTEMA BOYAS Figura N 4.9 Análisis comparativo de Costos entre Sistema de Boyas DART y Sistema de Cables Submarinos.
CAPITULO V IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE CABLES SUBMARINOS PERUANO Teniendo en claro la totalidad de beneficios proporcionado por un sistema de cables submarinos, en el presente capítulo se demostrará las diferentes hipótesis que se realizaron hasta llegar a establecer el sistema de cables submarinos del Perú con asesoría del Ph. D. Katsuyoshi Kawaguchi y la Dra. Mairi Best. Para la temprana detección de tsunamis, fortaleciendo así el Sistema Nacional de Alerta de Tsunamis. 5.1. PRIMER PLANTEAMIENTO Después del análisis realizado en el capítulo anterior y demostrar que el sistema de cables submarinos es la herramienta más certera y confiable para la detección de tsunamis de origen cercano y origen lejano. Se pensó en la manera más económica para adaptar un sistema tan desarrollado y sofisticado como el de DONET (Japón) o NEPTUNO (Canadá) en el Perú, por ello se buscaron cables de fibra óptica ya instalados en el Océano Pacífico a los cuales se les podría implementar sensores de presión, para obtener datos en tiempo real al momento de la detección de un tsunami. De esta manera, se minimizaría la inversión puesto que ya no se tendría que invertir en la adquisición de cables de fibra óptica, repetidores y en la instalación del sistema en sí, sino sólo se tendría que adherir los sensores de presión.
Se inició una búsqueda de cables de fibra óptica ya instalados frente a nuestras costas, identificando los cables de fibra óptica de Telefónica International Wholesale services S.A.C. (Dpto. de Navegación, 2000), que se encuentran a lo largo de todo Sudamérica. Figura 5.1 Red de cables de Fibra óptica en Sudamérica. Fuente: http://www.telefonica-wholesale.com/mapaflash.html Es por ello, el planteamiento inicial de implementación de tres estaciones con un sensor de presión cada una, a 1025 km aproximadamente de distancia entre estación, ubicados en los cables de fibra óptica ya sembrados por la empresa Telefónica. Dando así, una cobertura total del Perú, puesto que estarían ubicados, uno frente a Tumbes, el segundo frente a Lima y el tercero frente a Tacna. Siendo el Perú, el primer país pionero en la implementación de sistema de cables submarinos de Sudamérica.