Cartografía y Topografía - PDF

1. Introducción La cartografía y la topografía son las ciencias que estudian la representación total o parcial de la superficie terrestre sobre un mapa o un plano. Se suelen denominar cartas a aquellos mapas o planos que se diseñan para atender una serie de necesidades funcionales, establecidas por...

1. Introducción La cartografía y la topografía son las ciencias que estudian la representación total o parcial de la superficie terrestre sobre un mapa o un plano. Se suelen denominar cartas a aquellos mapas o planos que se diseñan para atender una serie de necesidades funcionales, establecidas por los propios usuarios. De este modo, las cartas aeronáuticas son aquéllas que sirven al desarrollo de las diferentes fases de un vuelo, cumpliendo con los requerimientos operativos de la navegación aérea. En la primera parte de este manual se estudiará el proceso de elaboración de los mapas y los planos. Para ello, inicialmente se abordará el estudio de las principales características físicas de la superficie terrestre. Posteriormente, se analizarán los fundamentos de la reproducción cartográfica y topográfica, realizando un breve repaso de los sistemas de representación más utilizados en la confección de cartas aeronáuticas. Se ofrecerá una visión general de las cartas destinadas a la navegación aérea, sus funcionalidades, principales características y todo lo referente a la normativa aeronáutica que rige su producción, publicación y distribución. 2. Conceptos básicos de Geodesia El trazado de cualquier tipo de mapa o plano requiere el estudio y conocimiento previos de la superficie concreta que se quiere representar, así como un sistema que permita la localización de los puntos que la constituyen. La Geodesia es una ciencia que estudia la forma y dimensiones de la Tierra, su campo de gravedad, sus variaciones temporales y la manera de representarla en un plano. Su objetivo es el estudio y determinación de la forma y dimensiones de la Tierra, de su campo de gravedad, y sus variaciones temporales, así como construir los mapas correspondientes. Se trata de una ciencia fundamentada en la física y en las matemáticas, cuyos resultados constituyen la base geométrica para otras ramas del conocimiento geográfico, como son la topografía, la cartografía, la fotogrametría, la navegación, así como ingenierías de todo tipo o para fines militares y programas espaciales. 2.1. Forma y dimensiones de la tierra La Tierra está ligeramente achatada en los polos y ensanchada por el Ecuador, como resultado de la combinación de las fuerzas centrífugas y gravitatorias que actúan sobre ella, A esta forma (que es la real) es lo que se llama geoide., por ello, para su estudio se usan superficies geométricas de referencia terrestre como el geoide y el elipsoide de revolución. El geoide se define como la superficie equipotencial del campo de gravedad de la Tierra, coincidente, aproximadamente, con el nivel promedio del mar. Debido a que la distribución de masas a lo largo de la Tierra no es uniforme, la forma del geoide no es constante y presenta irregularidades. Debido a estas irregularidades y a la complejidad de su definición, la superficie de la Tierra tiende a representarse, con mucha aproximación, mediante un eliposide de revolución1. Representación del Elipsoide de Referencia y del Geoide Debido a estas dificultades se define la Tierra, para el estudio de puntos y líneas, como una esfera perfecta cuyo radio medio se mide desde el centro de la Tierra hasta la superficie del mar. A continuación, se detallan sus dimensiones: Diámetro 12.742 KM Radio 6.371 Km Perímetro 40.076 Km Volumen 108.321 X 1010 Km3 510 X 106 Km Cuadro de las dimensiones terrestres (aproximadas) Superficie 2.2. Puntos y líneas destacados en la tierra El conocimiento de los puntos y líneas más importantes de la Tierra permite crear sistemas de coordenadas que representan los puntos de su superficie en un mapa. Se toma como referencia una forma esférica perfecta ya que facilita y simplifica el estudio de los puntos y líneas destacados en la Tierra: - Centro de la Tierra: es el punto de simetría de la Tierra y tiene la propiedad de que «equidista» de todos los puntos de su superficie la distancia de 6.371 Km. - Eje terrestre: es una línea ideal que atraviesa la Tierra pasando por su centro. De los infinitos ejes que tiene la Tierra, el más importante es el de rotación, cuya prolongación pasa por un punto fijo del universo, llamado estrella polar. - Polos Geográficos: se denominan así a los puntos en los que el eje de rotación de la Tierra corta a la superficie terrestre existiendo de esta manera dos polos geográficos: o Polo Norte Geográfico (PNg). o Polo Sur Geográfico (PSg). - Círculos máximos: son unos círculos ideales definidos por planos que pasan por el centro de la Tierra. La circunferencia de cualquier círculo máximo mide 40.076 Km. Tienen la propiedad de dividir a la Tierra en dos partes iguales, llamadas hemisferios. Representación de los círculos máximos - Meridianos: son los infinitos semicírculos máximos que pasan por los polos de la Tierra. Dos meridianos opuestos forman un círculo máximo que divide a la Tierra en dos hemisferios. Los meridianos se caracterizan porque cortan perpendicularmente al Ecuador y a todos los paralelos. El más importante de todos los meridianos es el llamado meridiano de origen o de Greenwich, que pasa por el observatorio astronómico situado en ese distrito de la ciudad de Londres y que fue considerado como meridiano de referencia del sistema horario a partir de 1884. Tomando como referencia dicho meridiano, se divide la Tierra en dos hemisferios: - o Hemisferio oriental: situado al ESTE del meridiano origen. o Hemisferio occidental: situado al OESTE del meridiano origen. Ecuador terrestre: es el círculo máximo cuyo plano es perpendicular al eje de la Tierra. El Ecuador divide a la esfera terrestre en dos hemisferios: o Hemisferio norte: contiene al Polo Norte. o Hemisferio sur: contiene al Polo Sur. Representación del Ecuador, Hemisferio norte y Hemisferio sur - Círculos menores: son unos círculos ideales, definidos por planos que no pasan por el centro de la Tierra. Tienen la propiedad de dividir a la Tierra en dos partes desiguales, llamadas casquetes esféricos. Representación de los casquetes esféricos - Paralelos: se denominan así a los círculos menores y paralelos al Ecuador. Son perpendiculares a los meridianos y tienen la propiedad de que por cualquier punto de la superficie terrestre pasa un paralelo. Los paralelos más importantes son el Círculo Polar Ártico, Círculo Polar Antártico, Trópico de Cáncer y el Trópico de Capricornio. Representación de los paralelos 2.3. Movimientos de la tierra y sus efectos La importancia del estudio de los movimientos de la Tierra se debe a la influencia que ejercen, a la hora de tomar referencias cartográficas y realizar cálculos de rutas y ajustes electrónicos, debidos a las desviaciones del norte magnético, causadas por los movimientos terrestres. Se abordarán los cuatro movimientos de la Tierra que tienen más importancia (rotación, traslación, precesión y nutación) de los más de 16 descritos en la actualidad. Aunque los cuatro movimientos se expliquen por separado, el movimiento de la Tierra debe entenderse como un solo movimiento compuesto por los otros movimientos. 2.3.1 Rotación El movimiento de rotación de la Tierra es el que ésta realiza sobre sí misma alrededor del eje de rotación que pasa por los Polos. a. La distancia angular es de 360º y el tiempo que tarda la Tierra en girar sobre sí misma es de 23 horas, 56 minutos y 4 segundos. b. La dirección de este movimiento es de oeste a este y la velocidad de rotación es variable debido principalmente a las fuerzas gravitatorias de su satélite, la Luna. c. El principal efecto del movimiento de rotación de la Tierra es el día y la noche. Otra consecuencia de la rotación es la forma achatada del planeta debida principalmente a las fuerzas centrífugas generadas por este movimiento. Representación del movimiento de rotación de la Tierra 2.3.2 Traslación Es el que efectúa la Tierra alrededor del Sol. a. El tiempo que tarda es de 365 días. La trayectoria u órbita recorrida se llama Eclíptica y es una elipse, en uno de cuyos «focos» se encuentra situado el Sol. b. Debido a que la Tierra describe una órbita elíptica, la distancia entre el Sol y la Tierra no es constante, siendo el punto más alejado el afelio (en torno al 4 de julio) y el punto más cercano el perihelio (4 de enero). c. Los efectos causados son las variaciones climáticas (primavera, verano, otoño e invierno), debidas también a la inclinación del eje de rotación terrestre, formando éste con el plano de la órbita elíptica un ángulo aproximado de 66º33´. Representación del movimiento de traslación Debida a esta inclinación, los efectos sobre los distintos puntos terrestresson: o Trópico de Cáncer: paralelo situado a una distancia angular de 23º27´ al norte del Ecuador. Sobre él los rayos solares inciden perpendicularmente una vez al año, en el Solsticio de Verano, éste será el día del año con más horas de luz solar en el hemisferio norte, y, por tanto, el día más corto del año en el hemisferio sur. o Trópico de Capricornio: paralelo situado a una distancia angular de 23º27´ al sur del Ecuador. Sobre él los rayos solares inciden perpendicularmente una vez al año, en el Solsticio de Invierno, éste será el día del año con menos horas de luz solar en el hemisferio norte, y por lo tanto, será el día más largo del año en el hemisferio sur. o Los momentos en los que los rayos solares inciden perpendicularmente sobre el Ecuador son denominados Equinoccios, y se caracterizan por la equivalencia en el número de horas nocturnas y diurnas. La combinación del movimiento de traslación y de rotación, unido a la inclinación del eje de rotación, causan los ciclos climáticos y atmosféricos del planeta, la duración del día, la dirección de los vientos predominantes, la cantidad de radiación solar y el movimiento aparente de los astros. Dichas consecuencias tienen gran importancia en la navegación aérea a la hora de realizar el cálculo de rutas, corrección de errores, previsiones meteorológicas, estimación de tiempos de vuelo, etc. 2.3.3 Precesión Consiste en el desplazamiento del eje de rotación en el espacio. La trayectoria descrita por el eje es un cono cuyo ciclo es tan extraordinariamente lento que tarda alrededor de 25.700 años en recorrerlo. a. Este movimiento es el causante de que las estrellas cambien de posición respecto a la Tierra, de hecho, la Estrella Polar, que ha sido referente para la navegación durante muchos siglos, por señalar la posición del norte geográfico, ha variado su posición aproximadamente 1º respecto al norte geográfico. b. El sentido del movimiento del eje es contrario al de rotación de la Tierra, y la velocidad de su desplazamiento es aproximadamente de 50 minutos anuales. c. La precesión es causada por fuerzas gravitatorias, principalmente del Sol y la Luna hacia la Tierra que, al no ser esférica sino ensanchada en el Ecuador, provoca la aparición de pares de fuerzas que alteran la posición de equilibrio del eje de rotación. Representación del movimiento de precesión 2.3.4 Nutación Este movimiento en sí consiste en una ligera oscilación del eje terrestre producida sobre la trayectoria del movimiento de precesión. Cada ciclo de nutación dura algo más de dieciocho años, durante los cuales el eje oscila aproximadamente 9 minutos alrededor de su posición media. a. Está provocado sobre el eje de rotación y es superpuesto al de precesión. Los mismos factores que causan la precesión de la Tierra son los que originan su nutación. b. El principal efecto que surge de la combinación del movimiento de precesión y nutación es la variación de la posición del norte magnético. Representación del movimiento de nutación 2.4. Nociones básicas de Navegación Además de los movimientos de la Tierra hay otros conceptos relevantes en el estudio de la navegación y la cartografía. A continuación, se explican conceptos básicos de navegación y sus aplicaciones a la cartografía, necesarios para poder interpretar correctamente los mapas cartográficos específicos. 2.4.1 Magnetismo terrestre La tierra funciona como un enorme imán, creando su propio campo magnético y teniendo dos polos: un polo Norte y uno Sur; aunque, estos polos magnéticos no están alineados con los polos geográficos: o Polo Norte Magnético: Es aquel por donde entran las líneas de fuerza de Campo Magnético Terrestre. o Polo Sur Magnético: Es aquel por donde salen las líneas de fuerza del Campo Magnético Terrestre. Campo magnético de la tierra 2.4.2 Declinación magnética Como los polos magnéticos apuntan siempre al norte magnético, podremos decir que la declinación magnética en un punto de la Tierra es el ángulo comprendido entre el norte magnético local y el geográfico. La declinación puede ser: o Este (E) o positiva, cuando un observador situado en el lugar mirando al norte geográfico viera el norte magnético a su derecha. o Oeste (W) o negativa, cuando un observador situado en el lugar mirando al norte geográfico viera el norte magnético a su izquierda. Declinación magnética 2.4.3 Rumbo Se define rumbo como la distancia angular entre el norte de referencia y el eje longitudinal de la aeronave. Cuando el norte de referencia sea el magnético se habla de rumbo magnético, cuando sea el geográfico se habla de rumbo geográfico. Los rumbos se denominan por medio de tres cifras que representan el ángulo respecto al origen, que es el Norte geográfico o magnético, según se considere, y medido en sentido de giro de las agujas del reloj. Rumbo geográfico y magnético El cálculo de los rumbos se basará en la siguiente fórmula: Rumbo magnético = Rumbo geográfico – declinación La declinación será negativa para W y positiva para E ¿Cuál será el rumbo magnético para un geográfico de 081º y una declinación de 3ºE? Rm = 081º -(+3º) =078º ¿Cuál será el rumbo magnético para un geográfico de 122º y una declinación de 5ºW? Rm = 122º -(-3º) =122º+3º =125º 2.4.4 Ruta Se define como la proyección del movimiento de una aeronave, persona u objeto sobre la superficie terrestre. La ruta trazada sobre una carta de navegación hace referencia a la trayectoria que une el punto de salida con el punto de destino. Podrá ser magnética o geográfica según se tome como referencia el Norte Magnético o el Geográfico. Siempre que la navegación se lleve a cabo en ausencia de viento, el rumbo de la aeronave coincidirá con el de la ruta que sobrevuela. Sin embargo, el viento en ocasiones provoca que el rumbo de la aeronave no coincida con el de la ruta sobrevolada, en estos casos, la aeronave puede desplazarse a través de un rumbo que no es el propio. Los dos tipos de rutas más importantes son: la Ruta Ortodrómica y la Ruta Loxodrómica. Representación de la ruta RUTA ORTODRÓMICA RUTA LOXODRÓMICA Es arco de círculo máximo que une dos Es aquélla que describimos sobre la superficie puntos sobre la superficie terrestre. terrestre cuando nosdesplazamos de un punto a otro manteniendo un rumbo constante en la brújula. Ruta más corta entre dos puntos Es más larga que la ortodrómica. Distancias: Para grandes distancias, la diferencia Distancias: para pequeñas distancias (rutas es importante, y se preferirá seguir la inferiores a 1.000 Km) la diferencia es pequeña y ortodrómica al ser más corta. se suele seguir la loxodrómica, ya que permite mantener un rumbo constante sin que por ello se recorra una distancia mucho mayor. Forma ángulos distintos con cada meridiano Forma el mismo ángulo con todos los meridianos excepto cuando dicha ruta coincide con un meridiano o con el Ecuador. Es difícil de seguir Es fácil de seguir En el ámbito aeronáutico, la ortodrómica sigue En el ámbito aeronáutico, la navegación siendo fundamental, especialmente para loxodrómica cae en desuso. Su cualidad de navegación a largas distancias, ya que el simplicidad en la navegación ha sido superada consumo, o, mejor dicho, el ahorro de por la precisión de los sistemas modernos de combustible es uno de los objetivos principales navegación. del transporte aéreo. A partir de estos arcos de círculo máximo u ortodrómico, se define una de las unidades de medida de longitud más utilizadas en navegación: la milla náutica (NM), definida como la longitud recorrida en un minuto sobre un arco de círculo máximo 1NM = 1.852 km. 2.4.5 Deriva Un avión se desplaza en el interior de una masa de aire, luego el movimiento de esta masa de aire afectará al desplazamiento del avión con respecto a la ruta que desea llevar. El ángulo existente entre la ruta deseada de una aeronave y la dirección del movimiento de la misma se denomina deriva, y es un factor importante a tener en cuenta para que el viento no altere la ruta de la misma. La máxima deriva se produce cuando la dirección del viento es perpendicular al rumbo de la aeronave, y es mínima o nula cuando la dirección del viento coincide con la de la aeronave. Representación de la deriva