El sonido se desplaza bajo el agua cuatro veces más rápido que en el aire[s]. Esto convierte la propagación del sonido submarino en el método principal para detectar, comunicarse y navegar bajo la superficie oceánica, donde la luz se desvanece rápidamente con la profundidad.
El sonar, abreviatura de SOund NAvigation And Ranging (navegación y localización por sonido), aprovecha esta física. El sonar activo emite un pulso de sonido, a menudo llamado «ping», y luego escucha los ecos de ese pulso[s]. El tiempo transcurrido entre la emisión y el retorno indica la distancia; las diferencias en el tiempo de llegada a múltiples receptores determinan la dirección.
Por qué el sonido viaja tan bien bajo el agua
Las propiedades físicas del agua permiten que el sonido viaje a aproximadamente 1.493 metros por segundo[s]. En el aire, el sonido se desplaza a unos 343 m/s. Esta diferencia de velocidad significa que la propagación del sonido submarino puede transmitir información a distancias donde la comunicación por radio es muy limitada.
Tres factores determinan la velocidad del sonido en el agua de mar: la temperatura, la presión y la salinidad. La velocidad del sonido suele oscilar entre 1.450 y 1.570 metros por segundo en los océanos, aumentando aproximadamente 4,5 metros por segundo por cada grado Celsius de incremento en la temperatura y 1,3 metros por segundo por cada unidad práctica de salinidad (ups)[s].
La termoclina: donde el sonido se desvía
La temperatura del océano varía con la profundidad, pero entre los 30 y los 100 metros suele haber un cambio marcado llamado termoclina, que separa el agua cálida de la superficie de las aguas frías y tranquilas que componen el resto del océano[s]. El sonido que se origina en un lado tiende a desviarse, o refractarse, alejándose de la termoclina. Esto puede dificultar el funcionamiento del sonar, ya que los pulsos emitidos desde arriba pueden refractarse antes de alcanzar objetivos situados por debajo de esta capa.
El canal SOFAR: la autopista acústica de la naturaleza
A cierta profundidad, la temperatura ha descendido lo suficiente como para que su efecto de ralentización del sonido se compense exactamente con el aumento de velocidad provocado por la presión. Esto crea un mínimo de velocidad del sonido. Este mínimo, situado a unos 1.000 metros de profundidad, se denomina canal de sonido profundo o, históricamente, canal SOFAR, que significa SOund Fixing And Ranging (localización y medición por sonido)[s].
Los datos globales del Atlas Oceánico Mundial 2023 muestran que el eje del canal de sonido profundo se sitúa, en promedio, a unos 872 metros de profundidad en todo el mundo, con una mediana de 950 metros y una variación regional significativa[s]. Comprender esta estructura es crucial para el funcionamiento eficaz del sonar, la comunicación submarina y la propagación acústica[s].
Las ondas sonoras en el canal SOFAR se desvían continuamente hacia la profundidad de mínima velocidad. El sonido que no choca con la superficie del océano ni con el fondo marino pierde energía por absorción. Sin embargo, los sonidos de baja frecuencia pierden muy poca energía por absorción[s]. El resultado es que los sonidos de baja frecuencia viajan más lejos que los de alta frecuencia, a veces miles de kilómetros en condiciones favorables[s].
Zonas de convergencia: el enfoque periódico del sonido
Las trayectorias del sonido emitido desde una fuente cercana a la superficie se juntan, o convergen, creando regiones de mayor presión sonora a la misma profundidad que la fuente cada 50 o 60 km de distancia[s]. Estas zonas de convergencia significan que la propagación del sonido submarino no se atenúa de manera uniforme con la distancia. Un objetivo puede ser más difícil de detectar entre zonas de convergencia y más fácil de escuchar cerca de una de ellas.
Aplicaciones de la propagación del sonido submarino
El 27 de abril de 2017, la OTAN informó de que JANUS, un protocolo estandarizado de comunicaciones acústicas submarinas, había sido reconocido como estándar de la OTAN por todos los aliados desde el 24 de marzo de 2017[s]. Este estándar permite la interoperabilidad entre dispositivos submarinos de la OTAN y de países no miembros.
Los mamíferos marinos también dependen de la propagación del sonido submarino. Delfines, orcas y otras especies de cetáceos utilizan el sonar para comunicarse, navegar y localizar presas y depredadores[s]. En particular, dependen del sonido que se propaga al menos cuatro veces más rápido en el agua que en el aire[s].
El problema del sonar y la vida marina
La misma física que hace eficaz al sonar puede resultar perjudicial para los animales que dependen del sonido submarino. En 1998, un artículo de la revista Nature describió un caso inusual en el que 13 zifios vararon durante un ejercicio naval con sonar. Para 2005, los investigadores habían identificado una docena de casos en los que más de 10 zifios vararon durante ejercicios navales que involucraban sonares de frecuencia media[s].
Una investigación revisada en un taller intergubernamental ACCOBAMS-ASCOBANS de 2024 reveló que niveles inusualmente bajos de sonar recibidos alteran las inmersiones de alimentación basadas en ecolocalización de los zifios a distancias de hasta 100 km[s]. En un artículo de 2024, la Organización Neerlandesa para la Investigación Científica Aplicada (TNO) describió un enfoque alternativo: en lugar de emitir sonidos cortos y fuertes bajo el agua, los investigadores probaron ondas sonoras más suaves pero más largas como parte de un trabajo para utilizar el sonar de manera eficaz y proteger a los mamíferos marinos[s].
La propagación del sonido submarino ocurre a aproximadamente 1.493 m/s en el agua de mar[s], unas 4,4 veces la velocidad en el aire a nivel del mar. Esta diferencia de velocidad convierte a la acústica en una modalidad sensorial fundamental por debajo de la zona fótica, donde la comunicación por radiofrecuencia es muy limitada y la luz visible escasea.
El sonar activo emite un pulso de sonido, a menudo llamado «ping», y luego escucha los ecos de ese pulso[s]. Para medir la dirección, los sistemas emplean formación de haces en matrices de hidrófonos, midiendo los tiempos relativos de llegada a cada elemento transductor.
Dependencias de la velocidad del sonido
La velocidad del sonido en el agua de mar está determinada por la temperatura T, la presión hidrostática (profundidad d) y la salinidad S. Una aproximación empírica en unidades imperiales: c(pies/s) ≈ 4388 + (11,25 × T(°F)) + (0,0182 × d(pies)) + S(ppt)[s]. En términos métricos, la velocidad del sonido suele oscilar entre 1.450 y 1.570 m/s en los océanos, aumentando aproximadamente 4,5 m/s por cada grado Celsius y 1,3 m/s por cada unidad práctica de salinidad[s].
La termoclina, una región de rápido descenso de la temperatura entre los 30 y los 100 metros de profundidad[s], crea un gradiente negativo de velocidad del sonido que refracta los rayos que viajan hacia abajo de vuelta hacia la superficie. La ley de Snell gobierna esta refracción: el sonido se desvía hacia regiones de menor velocidad.
Estructura del canal de sonido profundo
El mínimo de velocidad del sonido a aproximadamente 1.000 metros de profundidad define el eje del canal de sonido profundo (DSC, por sus siglas en inglés), históricamente denominado canal SOFAR[s]. Por encima de este eje, domina el gradiente negativo de temperatura; por debajo, el gradiente positivo de presión. Ciertos rayos sonoros oscilan a través de este mínimo sin interactuar con los límites.
El análisis del Atlas Oceánico Mundial 2023 arroja una profundidad media global del eje del DSC de 871,6 m, con una mediana de 950 m y una desviación estándar de 400,2 m[s]. La profundidad de la capa sónica (SLD), que marca el límite superior del DSC, tiene una media global de 24,2 m, con una mediana de 10 m[s].
Los sonidos de baja frecuencia pierden muy poca energía por absorción[s], lo que permite la propagación del sonido submarino a lo largo de miles de kilómetros a través del DSC en condiciones favorables[s]. La absorción aumenta con la frecuencia, lo que limita el alcance de detección de las altas frecuencias.
Zonas de convergencia y zonas de sombra
Para fuentes cercanas a la superficie, las trayectorias del sonido convergen a intervalos regulares, creando regiones de mayor presión sonora a la misma profundidad que la fuente cada 50 o 60 km[s]. Entre las zonas de convergencia se encuentran zonas de sombra con menor intensidad acústica. Esta periodicidad espacial significa que la probabilidad de detección no disminuye de manera monótona con la distancia.
Modelado de la propagación
Los enfoques computacionales comunes para el modelado de la propagación del sonido submarino incluyen el trazado de rayos (BELLHOP), la ecuación parabólica (RAM) y los modos normales (KRAKEN). Un estudio de 2025 en Frontiers in Marine Science encontró que, en un entorno oceánico plano de 200 m de profundidad, BELLHOP logra alta precisión para frecuencias superiores a 200 Hz, KRAKEN tiene un rendimiento comparable a RAM por debajo de 50 Hz, y RAM destaca por debajo de 200 Hz[s].
BELLHOP, basado en la teoría de rayos, es adecuado para escenarios de aguas profundas y altas frecuencias. Sin embargo, en entornos de aguas poco profundas y bajas frecuencias, su precisión puede verse reducida debido a la omisión de la interferencia modal y los efectos de difracción[s].
Estándares de comunicaciones
El 27 de abril de 2017, la OTAN informó de que JANUS, un protocolo estandarizado de comunicaciones acústicas submarinas, había sido reconocido como estándar de la OTAN por todos los aliados desde el 24 de marzo de 2017[s]. JANUS permite la interoperabilidad entre dispositivos submarinos de la OTAN y de países no miembros.
Implicaciones biológicas
Muchos cetáceos dependen de sistemas biológicos de sonar. Delfines, orcas y otras especies de cetáceos utilizan el sonar para comunicarse, navegar y localizar presas y depredadores[s].
El sonar naval de frecuencia media se ha relacionado con eventos de varamiento masivo. En 1998, un artículo de Nature describió el varamiento de 13 zifios durante un ejercicio naval con sonar. Para 2005, los investigadores habían identificado una docena de casos en los que más de 10 zifios vararon durante ejercicios navales que involucraban sonares de frecuencia media[s]. Una investigación revisada en el taller ACCOBAMS-ASCOBANS de 2024 encontró que el sonar altera las inmersiones de alimentación de los zifios a distancias de hasta 100 km[s].
En 2024, la TNO informó sobre formas de onda alternativas: en lugar de pulsos cortos de alta intensidad, los investigadores probaron ondas sonoras más suaves pero más largas como parte de un trabajo para utilizar el sonar de manera eficaz y reducir las alteraciones en el comportamiento de los mamíferos marinos[s].
