CTD y sondas multiparamétricas

La necesidad de medir un número creciente de parámetros y variables en el medio marino ha llevado a algunos fabricantes de instrumental oceanográfico a ofrecer sondas multiparamétricas o sensores integrables en equipos de terceros.

La elección de un CTD y sondas multiparamétrica dependerá de las necesidades del estudio que se vaya a llevar a cabo. En el mercado existen sondas científicas u oceanográficas (también llamadas hidrográficas) en las que la resolución, precisión o velocidad de muestreo son muy exigentes. También podemos encontrar sondas de monitoreo en las que las exigencias son menores. Las primeras van dirigidas a trabajos de investigación y las segundas son más apropiadas para consultorías o plantas industriales. Dicho esto, ciertas consultorías podrían necesitar sondas hidrográficas y algún equipo de investigación científica querer utilizar una sonda de monitoreo. Por ello, ante todo hay que responder a una pregunta esencial: ¿Qué es un CTD o sonda multiparamétrica y cuál necesitamos para nuestra aplicación?

A pesar de la progresiva estandarización del instrumental disponible en el mercado, en ocasiones no es posible integrar un determindo sensor en una sonda. Por ello es conveniente estudiar cada caso detenidamente.

ORIGEN DEL TÉRMINO

El acrónimo CTD surge de las siglas de las palabras inglesas Conductivity, Temperature y Depth. Como su propio nombre indica, se trata de dispositivos que miden la conductividad eléctrica del agua de mar, su temperatura y la profundidad donde se obtienen las dos variables anteriores. Estas tres variables fundamentales permiten obtener variables derivadas como la densidad del agua o la velocidad de propagación del sonido, normalmente implementadas por los fabricantes en el softwar de adquisición o postproceso.

Con el avance de la tecnología se ha acelerado la integración de un creciente número de sensores, como aquellos dedicados a la medida de pH, oxígeno disuelto, turbidez, fluorescencia…, circunstancia que ha provocado el empleo del término “sonda multiparamétrica”. 

La inclusión de sensores adicionales en el CTD tiene su origen en la necesidad de los investigadores de relacionar procesos biológicos, químicos o bioquímicos con las propiedades físicas del agua. A ello se une la generalización de la vigilancia ambiental y los estudios de calidad del agua. No en vano la mayoría de los sensores adicionales de un CTD suelen estar dedicados a la detección de sustancias disueltas, tratándose en muchos casos de contaminantes.

Diversos sensores

PRINCIPALES VARIABLES MEDIDAS POR LAS SONDAS MULTIPARAMÉTRICAS

CONDUCTIVIDAD

La medida de la conductividad proporciona la concentración de iones en el agua, lo cual nos da una idea de la capacidad de conducir la corriente eléctrica. Dado que la conductividad del agua pura es bien conocida, la conductividad ‘añadida’ será proporcional a la concentración de iones presentes en el líquido (sales). Por tanto, a través de la medida de la conductividad, podemos obtener una estima de la salinidad del agua. La conductividad se mide en siemens por metro cuadrado (en oceanografía habitualmente en mS/cm2), siendo un valor aproximado en el agua de mar de 52 mS/cm2. La conductividad eléctrica es proporcional a la concentración de sales disueltas, y por tanto la salinidad.

Las unidades que se usan para la variable salidad han ido variando a lo largo de los años (gr/cm3, PSU o incluso adimensional).

TEMPERATURA

Conocerla es imprescindible a la hora de obtener medidas fiables de conductividad. La conductividad está determinada por el movimiento molecular de los iones disueltos, el cual está condicionado por la temperatura. Si queremos obtener medidas de alta precisión, hay que considerar la temperatura del agua muestra.

El calentamiento de una sustancia, habitualmente, da lugar a su expansión, lo que provoca un descenso de su densidad. Por el contrario, una pérdida de calor suele dar lugar a un aumento de la densidad. En el mar los cambios de densidad debidos a variaciones de temperatura constituyen el principal fenómeno generador de corrientes oceánicas (circulación termohalina). 

En la columna del agua de mar la temperatura suele disminuir al aumentar la profundidad, mostrando un perfil bien conocido. La temperatura del agua en la capa en contacto con la atmósfera es habitualmente más alta que en capas profundas. A las capas superficiales se las conoce como ‘capa de mezcla’ debido al efecto de la dinámica atmosférica sobre la homogeinización de esta capa superficial, la cual no suele superar los 200 m. A continuación, encontramos las termoclinas, ya sean estacionales o permanentes, seguidas de posibles capas intermedias, hasta alcanzar finalmente la zona de aguas profundas (aproximadamente a los 2.000 m), caracterizada por una temperatura uniforme y generalmente baja.

Las unidades usadas en oceanografía pueden ser de la escala centígrado (°C) o la escala de temperatura absoluta Kelvin (°K)

TEMPERATURA POTENCIAL

El efecto de la presión sobre la temperatura es bien conocido. A mayor presión hidrostática, las moléculas de agua están más próximos, pudiendo interactuar más fácilmente. Estas interacciones dan lugar a una temperatura in situ superior a la que deberían tener por intercambios de calor únicamente. A partir de unos pocos cientos de metros de profundidad se debe hablar de temperatura potencial (θ), que equivale a aquella temperatura que tendría la masa de agua si no estuviera comprimida.

DENSIDAD

Tal como hemos visto, los cambios en la temperatura determinan las variaciones de la densidad de las masas de agua. Además, la concentración de sales disueltas también influye en la densidad del agua. Si a esto le añadimos que, con el aumento de la profundidad aumenta la presión y se reduce el volumen del agua, tenemos otro factor determinante de la densidad.

OTRAS VARIABLES DE INTERÉS

CONCENTRACIÓN DE OXÍGENO DISUELTO

La concentración de oxígeno disuelto es una de las variables adicionales más  demandadas en las sondas multiparamétricas. Es una variable no conservativa que puede dar una idea de la actividad bioquímica que tiene lugar en determinado volumen de agua (descomposición de la materia orgánica, respiración, oxidación, procesos de reducción, etc).

A pesar de lo distantes que se encuentran de la superficie, las aguas profundas de las cuencas oceánicas suelen permanecer bien oxigenadas debido a los patrones globales de circulación. Las aguas que ocupan el fondo se forman en la superficie, a latitudes altas y en contacto con la atmósfera. Son aguas frías bien cargadas de oxígeno, cuya densidad es lo suficientemente alta como para hundirse y circular en profundidad y en contacto con los contornos de las cuencas donde se generan. El oxígeno transportado mineraliza la materia orgánica que sedimenta desde las aguas superficiales.

Una excepción particularmente relevante se encuentra en la cuenca del Mar Negro: tiene un intercambio muy limitado con el mar Mediterráneo y goza de un enorme aporte fluvial, lo que provoca una capa superficial de agua casi dulce (de baja densidad). Esa capa se encuentra separada de las masas de aguas profundas por una fuerte haloclina (gradiente de salinidad) que impide la mezcla vertical durante el invierno. Estas peculiaridades han conducido a una situación de anoxia hacia los 150-200 m de profundidad y a la práctica desaparición de toda forma de vida superior o, simplemente, aerobia. 

La medida de la cantidad de oxígeno disuelto es de gran ayuda para entender la biodiversidad y productividad de un hábitat marino o de una masa de agua determinada. El sensor de oxígeno disuelto es, por tanto, uno de los que no suele faltar en un CTD.

NIVEL DE pH

La medida del pH es otro factor a tener en cuenta a la hora de evaluar la calidad del agua. El agua de mar es básica en prácticamente todo el planeta, con un valor de pH alrededor de 8 en la zona ecuatorial, llegando a unos 8,5 en aguas frías. Este carácter básico se debe al equilibrio que se establece entre dos fenómenos antagónicos y que actúan de manera simultánea en el medio marino: la difusión del CO2 atmosférico y la disolución/precipitación de carbonato cálcico proveniente de los caparazones de moluscos.

Cuando aumenta la concentración de CO2 en el agua, el carbonato cálcico (CaCO3) se disuelve, provocando que disminuya el pH (aumento de la acidez), como resultado, entre otros, del proceso de respiración. Por el contrario, si el aporte de CO2 atmosférico disminuye, el carbonato cálcico precipita aumentando el pH (disminuyendo la acidez), resultado, entre otros, del proceso de fotosíntesis.

Principales procesos biológicos que intervienen en las transformaciones del carbono

GASES DISUELTOS Y OTRAS VARIABLES

Algunos fabricantes ofrecen sensores capaces de determinar el CO2 disuelto. Uno de ellos es Sunburst Sensors LLC., que ofrece el SAMI-CO2. Este sensor puede trabajar de forma independiente, sin necesidad de integración en un CTD.

Otros sensores típicamente complementarios son turbidímetros, fluorómetros (de diversas frecuencias en función de su aplicación), radiómetros, etc. Cada sensor integrable en un CTD pueda proporcionar información relevante de las propiedades del agua y la interacción de procesos bio-quimio-físicos en el medio.

SAMI CO2 Sunburst Sensors

MUESTREO CON SONDAS MULTIPARAMÉTRICAS

La forma en que usamos nuestro CTD varía según el objetivo de nuestro estudio. Podemos usarlo en estaciones hidrográficas para hacer perfiles verticales y conocer la estructura de la columna de agua, ya sea por interés en algún fenómeno concreto o simplemente para monitorizar las condiciones ambientales de la zona. En este caso, el usuario maneja el CTD desde una embarcación, largándolo e izándolo al cabo de pocos minutos. En caso necesario, para esta tarea se puede usar un winche (molinillo) con o sin roseta toma-muestras.

Alternativamente, podemos fondear nuestro CTD para un monitoreo de cierta duración o incluso permanente. El principal enemigo de esta aplicación es la bioacumulación, que suele alterar el funcionamiento de algunos sensores. Algunos fabricantes cuentan con sistemas antifouling (algunos de ellos contaminantes) o algún material antiincrustante (si el sensor lo permite, como es el caso de los transductores o las pantallas ópticas) o incluso medios mecánicos tales como los cepillos de limpieza automatizados (como el popular Hydro-Wiper de Zebra-Tech Ltd).

WOCE Y OTROS PROGRAMAS INTERNACIONALES

El muestreo mediante CTDs se puede configurar a medida, ya sea en perfiles verticales o en monitoreo continuo (sonda fondeada) según el criterio del usuario. En el caso de estudios hidrográficos, podríamos optar por el criterio WOCE (Scientific Plan for the World Ocean Circulation Experiment«). Este proyecto internacional de investigación del clima es uno de los primeros intentos de evaluar la circulación oceánica a nivel mundial, con el objetivo de crear una base de datos que respalde el desarrollo de modelos globales de circulación oceánica, herramientas indispensables para la predicción del clima y el estudio de su evolución.

Uno de los requerimientos de este programa, en cuanto a la calidad de datos aportados, es la frecuencia de muestreo, que debe de ser de 40 Hz (40 medidas/segundo). En este caso se trata de una alta frecuencia de muestreo, pero no siempre es así: en ocasiones basta con tomar un dato cada 10 minutos, si el objetivo es, por ejemplo, el monitoreo del desagüe de una planta desalinizadora. Como vemos, las características requeridas a un CTD dependen del objetivo del estudio que se lleve a cabo con él.

CTD OS320Plus WOCE

CARACTERÍSTICAS DE LOS SENSORES

A continuación, se muestra un ejemplo de características técnicas de los principales sensores que portan las sondas multiparamétricas:

  • CTDs oceanográficos
    • Sensor de presión, rango/precisión/resolución/tiempo de respuesta: 0…7000 dbar/0,05% FS/0,0015% FS/50ms
    • Sensor de temperatura, rango/precisión/resolución/tiempo de respuesta: -5..+50 ºC/0,0015ºC/0,0001ºC/50ms
    • Sensor de conductividad (agua salada), rango/precisión/resolución/tiempo de respuesta: 0….90 mS/cm/0,0015 mS/cm/0,0001 mS/cm/50ms
    • Sensor de oxígeno (polarográfico) rango/precisión/resolución/tiempo de respuesta: 0…50ppm/ 0,1 ppm/ 0,01 ppm/ 3s
    • Sensor de pH, rango/precisión/resolución/tiempo de respuesta: 0…14 pH/ 0,01 pH/ 0,1 mpH/ 3s
  • CTDs de monitoreo:
    • Sensor de presión, rango/precisión/resolución: 0…6000m/0,01dbar FS/0,01 dbar
    • Sensor de temperatura, rango/precisión/resolución: -2..+40ºC/ 0,01ºC/ 0,001ºC
    • Sensor de conductividad (agua salada), rango/precisión/resolución: 0….70 mS/cm/0,02 mS/cm/0,01 mS/cm
    • Sensor de oxígeno (polarográfico) rango/precisión/resolución: 0…20mg/l/ 0,2 mg/l/ 0,2 mg/l

DISPONIBILIDAD DE DATOS

La información obtenida por un CTD puede quedar almacenada en su memoria interna o puede ser enviada en tiempo real al usuario, de forma que este pueda consultarla del modo que más le convenga.

En el mercado existe una amplia gama de CTDs, por lo que cada usuario podrá encontrar aquel que mejor se ajuste a sus necesidades. Entre los más populares destacan los comercializados por los siguientes fabricantes: Aanderaa Data Instruments, AML Oceanographic, Idronaut, JFE Advantech Co. Ltd, RBR, SAIV A/S, Sea & Sun Technology, Sea-Bird Scientific, Valeport, etc.

SONDAS Y SENSORES

Determinados estudios no requieren obtener más información que la proporcionada por un único sensor, lo cual representa una ventaja tanto en términos técnicos como económicos.

AQUATEC Group Ltd ofrece su línea AQUAlogger, dispositivos de reducido tamaño que disponen de memoria interna, baterías, sensor de temperatura y sensor de presión, pudiendo añadir además medida de fluorescencia, turbidez o ambas a la vez.

Algunos fabricantes ofrecen solo el sensor, con opción a equiparlo o no con  baterías y memoria, o bien conectarlo a una infraestructura de terceros fabricantes (como puede ser el propio CTD o un correntímetro). Unos de los sensores dedicados a integración más populares y robustos del mercado son los fabricados por Seapoint Sensors Inc., que ofrece sensores de turbidez y fluorescencia (clorofila A, fluoresceína, rodamina, etc).

Tal como hemos podido ver, la versatilidad de los CTD y sensores es enorme y el mercado ofrece soluciones adaptados a -casi- cualquier necesidad.

AQUAlogger 310TY de turbidez


REFERENCIAS

Read more: De la evaluación de la calidad del aguahttps://www.lenntech.es/la-evaluacion-de-la-calidad-agua-faq-calidad-agua#ixzz6GZEiBCAQ

Investigación y Ciencia: El mar es básico. https://www.investigacionyciencia.es/blogs/fisica-y-quimica/39/posts/el-mar-es-bsico-13433

National Centers for Environmental Information: NODC Standard Product: World Ocean Circulation Experiment (WOCE). https://www.nodc.noaa.gov/woce/wdiu/wocedocs/impplan/vol1.pdf

Ecología de Jaime Rodríguez

InfoAgro.com, La conductividad elétrica https://www.infoagro.com/instrumentos_medida/doc_conductividad_electrica.asp?k=53

Geo.matching, CTD Systems