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CI E N C I A S DE LA TI E R R A Y DE LA ATMÓSFERA

Aplicación de imágenes satelitalespara determinar el clima y la radiación solar

en el estado de Puebla y la geohidrología de su zona norte

Rogelio Ramos Aguilar*, Alejandro Rivera Domínguez**,

Raúl Mayorga Rapozzo*** y José Luis González Guevara****

Resumen. Se presentan las características demodelación de condiciones climáticas en elEstado de Puebla, los resultados han sidocomparados con mediciones satelitales y se haobtenido información muy importante paracontribuir a las ciencias atmosféricas en el estadode Puebla.Palabras clave: radiación solar, clasificaciónkoppen, geohidrología, clima, infrarrojo.

Las condiciones atmosféricas en el estado de Pueblaestán relacionadas con el sistema volcánico com-puesto por el Popocatepetl e Iztaccihuatl, en la

mesa central de la República Mexicana; se localiza entrelos 18°45’ y 19°15’ latitud Norte, con una orientaciónNorte-Sur, además de la Malintzin al noreste de la capitaldel estado.

Los factores meteorológicos que afectan la región son:ondas tropicales u ondas del este, ciclones tropicales y porúltimo los frentes fríos o invasión de aire polar. Las ondastropicales son ondulaciones de la corriente básica de losalisios: se desplazan de este a oeste con una velocidad me-dia de 15 km/h, lo que produce movimientos ascendentes

* Universidad Tecnológica de Puebla, Electricidad

y Electrónica Industrial. Antiguo Camino a la

Resurrección No. 1002-A. Zona Industrial. C.P.

72300. Puebla, Puebla.

Correo electrónico: [email protected]

** Secretaría de Gobernación de Puebla, Estación

Terrena de Satélites. Av. Reforma 1305, altos. C.P.

72000.


*** Benemérita Universidad Autónoma de

Puebla, CUPREDER. 4 Sur 305.


**** Universidad Iberoamericana, Plantel Golfo-

Centro.


The application of satellite images to

determine the climate and solar radiation

of the state of Puebla and the

geohydrology of its northern zone.

Abstract. This study presents thecharacteristics of climate in the state ofPuebla. The results have been compared tomeasurements taken by satellites, and thefindings constitute a very valuablecontribution to Atmospheric Sciences in thestate of Puebla.Key words: solar radiation, koppenclassification, geohydrology, climate, infrared.

Recepción: febrero 27 de 2003

Aceptación: julio 9 de 2003

con nubes de gran desarrollo vertical; además, fuertes pre-cipitaciones se presentan entre los meses de junio a octubrey con mayor frecuencia en agosto.

Un ciclón tropical es la circulación de huracanes porlas costas del Golfo de México o las costas del OcéanoPacífico que introducen humedad a la región y en algu-nas ocasiones se internan provocando lluvias persisten-tes y aguaceros. El periodo de huracanes, comprendelos meses de mayo a octubre, de los cuales septiembre esel mes con más recurrencia de estos sistemas meteo-rológicos.

Los frentes fríos son masas de aire polar continental, losefectos de estos sistemas en la región se traducen en un

284 RAMOS, R. ET AL. APLICACIÓN DE IMÁGENES SATELITALES...


descenso brusco de temperatura acompañado en algunasocasiones de precipitación pluvial.

Para modelar y graficar el comportamiento de estos fe-nómenos, se utilizó la información de temperatura mediamensual y lluvia mensual de 24 estaciones climatológicaspublicada en las normales climatológicas del Servicio Me-teorológico Nacional durante los últimos doce años.

1. Tipo de clima según la clasificaciónde Koppen modificada por García

La variación del clima en las zonas montañosas o llanurasde altitud superior a los 800 m o 1,000 m depende de la al-titud, de la latitud y de la exposición a los vientos húmedos.

El clima ET (clima frío) comprende una temperaturamedia anual entre -2° y 5 °C, y se encuentra entre lascurvas de nivel de 4,000 m y 5,272 m; en este intervalode altitud se considera que la temperatura es de 0 °C enlos meses más calientes del año, por lo que la continuaformación de hielo impide el desarrollo de vegetación (verfiguras 1 y 2).

El clima EF (clima muy frío), tam-bién conocido como de nieves perpe-tuas, tiene una temperatura media anualmenor de -2 °C, y está presente a unaaltitud mayor de 5,272 m.

Descendiendo en altitud, despuésde los 4,000 m está presente el climaC(w2)(w), semifrío subhúmedo con llu-vias en verano, temperatura prome-dio mensual mayor de 10 °C. Des-pués de este clima y rodeando losvolcanes a una altitud de 2,500 mestá el clima C(w2)(w)(i’), semifrío hú-medo, cuyo límite térmico superiorson los 12 °C de temperatura mediaanual, y el inferior de 5 °C, con másde cuatro meses con temperatura pro-medio de 12 °C y temperatura mediadel mes más caliente de 22 °C (verfiguras 3 y 4).1

Al oriente como al poniente estánpresentes los climas: C(w2)(w), templa-do subhúmedo con verano fresco lar-go, lluvia anual mayor a los 55.3 mmpor cada grado de temperatura me-

dia anual; el C(w1)(w), templado subhúmedo con veranofresco largo, lluvia anual entre 43.2 y 55.3 mm por cadagrado de temperatura media anual, y finalmente el climatipo C(w0)(w), templado subhúmedo con verano fresco lar-go, lluvia anual menor a 43.2 mm por cada grado de tem-peratura media anual.

Hacia el suroeste están presentes los climas (A)C, semicálidosdel grupo C; (A)C semicálidos del grupo A, hasta elgrupo Aw0(w)(i’), cálido subhúmedo, temperatura mediaanual mayor de 22 °C y con poca oscilación térmica.

Esta variación del clima en las laderas sureste y suroestees el efecto de la exposición directa a los vientos proceden-tes del Océano Pacífico y del Golfo de México, que enverano son cálidos y húmedos.

2. Radiación solar

El Sol provee alrededor de 99.7% de la energía caloríficarequerida para los procesos físicos de la atmósfera, y cadaminuto es radiada una cantidad de calorías de energía de-nominada constante solar. La constante solar es normal-mente conocida como el flujo de la radiación solar en la altaatmósfera recibida sobre una superficie en forma per-pendicular a la distancia media entre la Tierra y el Sol. La

1. La letra w representa la presencia de canícula, el símbolo i (isotermal) indica una

oscilación térmica menor de 5 °C, e (i‘) indica poca oscilación, es decir, entre 5 y 7 °C.

Figura 1. Acumulación en milímetros de precipitación pluvial. Unidades geodésicas en UTM (metros).



constante solar para el estado de Pue-bla podemos denominarla por S:

min/0.2)105.1(4

min/1056 2213

26

cmcalcmx

calxS ==

π

Las equivalencias son las siguientes:• 56 x 1026 cal/min es la energía queel Sol irradia en su superficie, por sutemperatura que es alrededor de5,750 °C.• 1.5 x 1013 cm es la distancia mediaTierra-Sol.• 1 Langley = ly = 1 cal/cm2

Si esta energía es uniformementeirradiada sobre la superficie de laTierra, la cantidad recibida por uni-dad de área y tiempo en la alta at-mósfera es:

min/5.04

lyS

sQ ==

La energía solar total interceptadapor la tierra en unidad de tiempo es:

St= πa2S = 2.55 x 1018 cal/min= 3.67 x 1021 cal/díaa = radio terrestre = 6.37 x 106 m

Si 3.67 x 1021 cal/día = k:• La energía liberada por un ciclón sería ~1 x 10-3 de k.• La energía liberada por un huracán sería ~1 x 10-4 de k.• La energía liberada por una bomba nuclear sería ~1 x 10-8

de k.• La energía liberada por una lluvia moderada sería ~1 x10-8 de k.

Si se considera el 100% de la radiación solar que llega ala alta atmósfera, 16% es absorbida por la atmós-fera, 1% lo absorben las nubes, la Tierra absorbe 26%como radiación directa, 14% como radiación difusa y 11%como radiación dispersa, 25% es devuelta al espacio exte-rior por nubes y polvo, y 7% reflejada por la superfi-cie terrestre conocida como albedo. Todas estas can-tidades varían de acuerdo con el ángulo de incidencia delos rayos solares, así como de la nubosidad, estacióndel año, latitud, etc.

3. Metodología para calcular latemperatura reducida

Si se supone que se desea calcular la temperatura reducidade la estación A, cuya altura es de 2,320 m sobre el nivel delmar (recordemos que la ciudad de Puebla tiene una altitudsobre el nivel del mar de 2,162 m), y presenta una tempera-tura media anual de 16.4 °C, se aplicará la siguiente fórmula:

TR= (h x gt) + t

dondeT

R = Temperatura reducida;

h = Altitud en m;gt = Gradiente térmico normal;t = Temperatura de la estación.

Sustituyendo valores:

TR= (2320 m)(0.0065 °C/m) + 16.4 °C = 31.48 °C

Por lo tanto, 31.48 °C es la temperatura de la estación A siestuviera al nivel del mar.

Figura 2. Distribución de la altitud en el estado de Puebla. Unidades UTM.



El valor del gradiente térmico normal no se aplica cuan-do se trabaja con precisión en estudios regionales, por loque a veces es necesario calcular dicho gradiente dela manera siguiente: se supone que se tiene una estaciónA cuya altitud es de 1,050 m, con una temperatura de18.5 °C, y otra estación B a una altura de 128 m y unatemperatura de 23.8 °C, se desea conocer el gradiente entrelas estaciones A y B.

Primero se determina la diferencia de altura entre lasestaciones y la diferencia de temperaturas.

Diferencia de temperatura = 23.8 ºC – 18.5 ºC = 5.3 °C

Diferencia de altura = 1,050 m – 28 m = 922 m

Esto indica que a 922 m la temperatura varía 5.3 °C, y porlo tanto en 1 m variará:

5.3 = 5.7483 x 10-3 °C/m922 m

El valor 0.0057483 °C/m es el gradiente térmico entrelas estaciones A y B.

Este valor nos sirve para calculartemperaturas que se encuentren entrelos puntos A y B.

Por ejemplo, nos interesa saber latemperatura del punto Z del cual sólose conoce la altura y se encuentra lo-calizado ente los puntos A y B. La altu-ra del punto es de 649 m.

Se determina la diferencia de alturaentre A y Z o entre B y Z; lo considera-mos entre A y Z, lo que resulta: dife-rencia de altura entre A y Z = 1050– 649 = 401 m. Nótese que se pasa deun lugar alto a uno bajo.

Si en un metro la temperatura varía0.0057483 °C, en 401 m variará:

401 m x 0.0057483 ºC/m =2.3050683 °C.

Este valor se suma a la temperaturadel punto A debido a que se pasa a unlugar más bajo, lo que ocasiona que latemperatura sea mayor. Por lo que latemperatura calculada con el gradientedel punto Z será:

18.5 °C + 2.3 °C = 20.8 °C.

El gradiente térmico normal para la región de Puebla es:GTN = 0.0065 °C/m. El calentamiento del aire es medidode la superficie del suelo hacia arriba (la temperatura delaire disminuye con la altura).

• 1 ha = 10,000 m²• 1 km2 = 1,000,000 m²

La resolución por pixel en una imagen satelital HighResolution Picture Transmisión (HRPT) o AutomaticTransmission Picture (ATP) es de 1.1 km², es decir 110 ha.

4. Resolución espacial de imágenes satelitales

Las imágenes utilizadas fueron tomadas del sistema digitalHRPT, con resolución de 1.1 kilómetros cuadrados de pixelen el nadir (110 hectáreas), lo que nos permitió trabajar auna escala regional 1:2,000,000, aplicando las señales digitalestransmitidas por los satélites estadounidenses NOAA (NationalOceanic and Atmospheric Administration).

Figura 3. Digitalización de los diferentes tipos de clima en el estado de Puebla. La ciudad mantiene una distribución

media de los climas (A)C semicálidos hasta Aw“0(w) (i‘) cálido subhúmedo, temperatura media anual de 24 °C y con

poca oscilación térmica.



Las imágenes son capaces de mos-trar la absorción de la radiación visi-ble; dos bandas del espectro, la gris (430nm) y la gris claro (600 nm), muestranla cantidad de energía absorbida; encontraste, la banda del infrarrojo cer-cano (750-1100 nm) actúa justo deforma inversa. La mayor absorción delgris claro y gris, junto con la fuerte re-flexión del infrarrojo cercano (en ne-gro) es la diferencia espectral de la res-puesta de todo el suelo, y será utilizadocomo forma de diferenciación de lassuperficies con y sin vegetación.

Cabe mencionar que la imagen delos satélites polares están captadas a unaaltura media de unos 840 km por en-cima de la superficie terrestre, con unancho de la imagen de 2,700 km aproxi-madamente; por lo que se compara-ron algunas imágenes de los satélitesgeoestacionarios de la familia GOES,que reciben imágenes con resolucionesde 1, 4 y 36 km. Las imágenes tam-bién corresponden a los canales visiblee infrarrojo.

El sistema GOES se utiliza en el he-misferio occidental, desde América delNorte a Sudamérica, para vigilar sistemas meteorológicosimportantes en el Pacífico, Mar Caribe, Atlántico y Golfode México.

Las imágenes pueden procesarse en una banda en laregión espectral visible (gris claro, 0.55-0.90 µm), una en lainfrarroja cercana (en negro, 0.72-1.0 µm), una en la in-frarroja media (3.55-3.93 µm) y una/dos en la infrarrojatérmica (10.5-11.5/12.5µm).

Una vez separados y analizados, los canales proporcio-nan información valiosa de diferentes fenómenos de la at-mósfera o la superficie del océano y continental. Así, esposible obtener información detallada sobre la temperatu-ra de la superficie oceánica, regiones nubosas, agrícolas ode afloramientos rocosos. Con la información se infierenresultados valiosos para conocer y planear acciones sobreel medio; de esto se desprende la importancia del manejode imágenes satelitales aplicados en la prevención de efec-tos de tormentas tropicales, lluvias torrenciales u otros fe-nómenos importantes de consecuencias adversas.

En particular, la fotointerpretación geológica, con baseen el despliegue de imágenes de satélite en perspectiva, nos

puede ayudar a inferir las relaciones geométricas que guar-dan diferentes unidades litoestratigráficas, así como a dis-criminar la litología con ayuda de las características mul-tiespectrales de las imágenes de satélite. Las técnicas y crite-rios interpretativos utilizados no difieren sustancialmentede aquellos utilizados en la fotointerpretación tradicionalde fotografías aéreas; método que es comúnmente acepta-do y que también es considerado una técnica de percepciónremota, utilizándose para estos estudios el método foto-gramétrico y el método espectral.

La ventaja de las imágenes de satélite, además de su fre-cuencia y su economía, es que las imágenes infrarrojas de-ben entenderse como un mapa de temperaturas, en el quecada tono de gris indica una variable térmica, el cual estárelacionado con un rango de altitudes de los topes de lasnubes. El radiómetro del satélite mide los niveles de radia-ción, los cuales dependen de la temperatura del objeto ra-diante (nubes), y a estos niveles de radiación (clasificadospor rangos) se les asigna un color. Observando los diferen-tes tonos y las formas de los contornos, es posible deducirlos tipos de nubes y su extensión vertical y horizontal. En

Figura 4. Digitalización de las isotermas en el estado y la capital de Puebla con un rango promedio de 25 ºC

en primavera.



este sentido, los contornos de color blanco indican nubesmás altas que los contornos de color gris claro, por ejemplo.Hay que tomar en cuenta que en la atmósfera hasta latropopausa, la temperatura disminuye con el aumento en laaltura. Si se observa un contorno blanco, de forma redon-da, probablemente debajo del mismo se hallen nubes queproducen lluvias fuertes y tormentas eléctricas.

Las imágenes procesadas han sido calculadas a partir deun modelo estructural del SURFER (veáse figura 5). El índi-ce de vegetación normalizado (IVN) se calcula a partir de lasbandas 1 y 2 (rojo e infrarrojo reflejado) de las imágenesobtenidas por el sensor AVHRR de los satélites NOAA; el aná-lisis de estos datos permite registrar la cubierta vegetal y eltipo de vegetación predominante en una región, por ejem-plo en la observación de las zonas boscosas y su dramáticareducción anual.

Con el fin de hacer óptimas las dimensiones propias delas medidas multiespectrales a una sola dimensión (cober-

tura edafológica y geológica), se handefinido los índices de vegetación, esdecir, combinaciones de bandasespectrales, cuya función es realzarla contribución de la vegetación enfunción de la respuesta espectral deuna superficie y atenuar la de otrosfactores como suelo, iluminación oatmósfera.

Basándose en la diferencia de reflectancia del suelo, que nos muestra20% en la banda visible y 60% en elinfrarrojo cercano (correspondien-do la banda 2 al infrarrojo cercano yla banda 1 al visible) de la regióndel espectro de las imágenes, el inter-valo de valores obtenidos para identi-ficar las imágenes varía entre (-1) y(+1); de ellos, sólo los valores positi-vos corresponden a zonas de vegeta-ción. Los valores negativos, genera-dos por una mayor reflectancia en elvisible que en el infrarrojo, pertene-cen a nubes, nieve, agua, suelo desnu-do y rocas.

Los estudios nos llevarán a la de-terminación de mapas de temperatu-ra e hidrológicos que pueden enrique-cer la cartografía de zonas de nieve,extensiones de agua y humedad del sue-lo; información sobre recursos re-

novables, detección y seguimiento de incendios forestales,análisis de usos de suelo, efectos urbanos, aplicacionesgeológicas que se originan a partir de las propiedades deabsorción de las distintas litologías y permiten la elabora-ción de cartografías litológicas e incluso tectónicas. Otraaplicación crucial es el análisis de riesgos provocados porfenómenos naturales, al detectar cambios en las señalesdel infrarrojo, provenientes de cráteres volcánicos o loscambios que podrían causar terremotos, inundaciones eincendios forestales y una gran variedad de resultados apli-cables a estudios climáticos.

5. Colores y clasificación de nubesen la interpretación de las imágenes satelitales

Color:• Gris claro: Cimas de nubes con temperaturas entre

-10° y -20 °C.

Figura 5. En este mapa digitalizado se muestran los principales municipios del estado de Puebla y la zona de

estudio que nos interesa enmarcada en gris.



• Gris oscuro: Cimas de nubes con temperaturas entre-21° y -31 °C.

• Gris: Cimas de nubes con temperaturas entre -32° y-80 °C (topes sobresalientes).

• Blanco: Cimas de nubes con temperaturas entre -81° y-110 °C (topes sobresalientes).

En esta gama de tonos, las nubes más frías y más altascorresponden al color blanco y las nubes más calientes ymás bajas corresponden al color gris; las zonas que apare-cen en tono gris claro corresponden a nubes muy bajas, enalgunos casos, niebla.

Clasificación de nubes:• Piso inferior (nubes bajas): altitud entre los 0 y 2 km.

Tipo de nubes: estratos, nimbos, estratocúmulus, nimboes-tratos, cumulunimbos y cúmulos.

• Piso medio (nubes medias): altitud entre los 2 y 6 km.Tipo de nubes: altostratos y altocúmulus.

• Piso superior (nubes altas): altitud arriba de los 6 km.Tipo de nubes: Cirros, cirrostratos y cirrocúmulus.

• Estratos: nieblas altas de color gris y gotas de agua cerca-nas al suelo.

• Nimbos: precipitación continua, color gris claro.• Estratocúmulus: capa de color gris blanquecino.• Nimbostratos o nimboestratos: capa de color gris obs-

curo.• Cúmulus: nubes densas y blancas, indican inestabilidad

del aire y enfriamiento.• Cumulonimbos: color obscuro, y altura de hasta 15 km en

su estructura.

6. Geohidrología de la zona norte del estado

La constitución geológica general de la estructura en el nor-te de la sierra del estado de Puebla (desde la Oriental hastaChignahuapan) posee las siguientes características: del ter-ciario inferior en el centro y norte de dicha zona se encuen-tran rocas ígneas intrusivas, suelo duro en valles y sueloblando por filtración de aguas en los límites estructuralesde valles y montañas. La roca característica es la andesita,con una presencia de diversos granos de basalto. Sobre es-tas rocas metamórficas impermeables el agua se desliza,pero en las rocas permeables penetra, se infiltra.

Es raro que una roca sea absolutamente permeable; ladescomposición superficial permite filtraciones no muy pro-fundas y, en cambio, por las grietas y fisuras el agua gana enpro-fundidad. Las rocas calcáreas son permeables porquepresen-tan grietas, algunas veces microscópicas; la arenatambién lo es por los espacios que hay entre sus granos

impermeables; y la creta, por ser de naturaleza esponjosa,es una de las rocas más permeables. La arcilla es homogé-nea y constituye para el agua un obstáculo infranqueable,llamado nivel del agua.

Sobre terrenos de pendiente brusca, el agua resbala, cual-quiera que sea la permeabilidad de las rocas. Se han detec-tado canteras al descubierto con granitos, calizas, mármol,cal, fosfatos de cal, asperón, koolin.

Para la región norte del estado las rocas efusivas se agru-pan en una serie que va de las más ácidas a las más básicas,comprendiendo los siguientes tipos: riolitas, traquitas,andesitas, basaltos y limburgitas. Las ácidas por lo generalson de tonos claros y poco densas, mientras que las básicasson oscuras y muy densas.

La riolita típica de derrames lávicos es una roca amari-llenta, gris o verdosa, con estructura fluidal con algunosmicrolitos de feldespato y biotita; la andesita existente enlas cadenas de plegamientos de edad terciaria está com-puesta de fenocristales de plagioclasa, andesina y piroxenoy los basaltos compuestas de olivino y augita.

La constitución geohidrológica de aguas en escurrimientodiagonal es por acción gravitacional normal, lo que originacuencas hidrológicas temporales en época de lluvias, conuna filtración continua.

En la figura 6 se presenta un acercamiento del estado dePuebla y la zona de estudio señalada, con la siguiente inter-pretación:

En color negro y blanco las zonas hidrológicas y sus res-pectivas ramificaciones, además de estructuras geológicasque determinan el movimiento de las aguas.

En color gris obscuro (nubes bajas de tipo estratos, nim-bos, y estratocúmulus), con una altitud entre los 0 y 2 km.

7. Vegetación

Las características vegetales en la zona norte del estado sonmuy diversas debido a la cantidad de humedad y calor quese presenta durante el año; se encuentran pastizales, bos-ques mixtos y praderías.

8. Aguas subterráneas

La mayor parte del agua subterránea procede esencial-mente de la infiltración de las agua meteóricas (precipita-ciones). Al encontrarse en el subsuelo, forman mantos deaguas casi inmóviles y éstos alimentan las fuentes y lospozos, o también pueden circular excavando las rocas, loque origina que las aguas se detengan y además que seobstaculice su descenso a partes más bajas; a esta zona



donde el agua queda retenida se le llama zona vadosa ozona de aereación. Los espacios entre las partículas deesta zona se encuentran parcialmente llenos con agua yparcialmente con aire.

La zona de aereación o vadosa se subdivide en faja dehumedad del suelo que se encuentra a unos cuantos decí-metros desde la superficie según las lluvias recientes; partedel agua que penetra el suelo es suministrada para el creci-miento de las plantas y otra parte se evapora a la atmósfe-ra, mientras que otra cantidad se desplaza hacia abajo.

El agua que se ha desplazado hacia abajo forma lo que sedenomina faja intermedia, donde el agua puede quedar sus-pendida por el material poroso o permeable por encima delnivel de agua principal: en esta faja existe poco movimien-to, excepto cuando hay precipitaciones.

En algunas partes no existe la faja intermedia; entonces lafaja de humedad del suelo descansa sobre la tercera faja,que tiene el nombre de faja capilar o fleco capilar, donde laarena puede encontrarse muy empapada y el agua es rete-nida debido a la atracción molecular.

Es precisamente en la zona vadosiana donde las aguassubterráneas llevan a cabo la mayor parte de sus accionesquímicas y el trabajo de disolución continua porque cada vezque el agua disuelve una partícula de roca (puesto que eldescenso continúa) deja el sitio a otras aguas nuevas quetambién disuelven otras partículas, y así sucesivamente.

La zona que se encuentra debajo de la zona vadosa es lazona freática llamada también nivel de agua freática; el ni-vel freático es el nivel bajo donde el subsuelo se encuentracompletamente saturado de agua y por encima del cual los

espacios vacíos en las rocas contieneaire y también agua; es una superficiede contacto donde el límite superiorde esta zona no es plano sino ondula-do; bajo el nivel freático se encuentrael agua subterránea y por encima seencuentra el agua colgada.

En general, el nivel freático sueleseguir las irregularidades de la superfi-cie del terreno, de esta manera el nivelfreático alcanza elevaciones más altasbajo los cerros y los lomeríos y suspuntos inferiores debajo de los valles.

La capa freática se encuentra a pro-fundidades variables a partir de la su-perficie: como en algunas regiones, éstapuede estar ausente o también puedealcanzar un espesor de más de cienmetros por debajo del suelo.

9. Erosión provocada por las aguas subterráneas

El agua subterránea es un agente efectivo de la erosióndebido a que contiene ácido carbónico (contenido en elagua de lluvia), el cual disuelve el carbonato que contienelas rocas llamadas carbonatadas, como son las calizas,dolomitas y mármoles.

Conforme desciende el agua de lluvia a la tierra, ésta pene-tra a través de las grietas de las rocas, la acción quí-mica y física del agua hace que las grietas se agranden, yse aíslan bloques de roca formándose una o varias cavi-dades alrededor de éstos y por los cuales circula el aguasuperficial.

En las rocas muy solubles, por ejemplo la caliza, se formangrutas de diversos tamaños y otras más pequeñas en la dolo-mita. El yeso y las rocas similares tienen una solución másrápida y esto provoca que las cavernas se derrumben debidoal peso de las rocas superyacentes antes de que la erosión lasabra a la superficie.

El agua puede originar precipitación de nuevos mineraleso el crecimiento de los ya existentes debido a la saturaciónpor la evaporación. El área que tiene gran cantidad de su-mideros constituye lo que se llama la topografía kárstica.Donde abundan las cuevas y sumideros, y al desapareceralgunas de las cuevas se forma una topografía especial. Enesta topografía la superficie está jalonada con una red dehendiduras y barrancos que terminan abruptamente cuan-do descargan el agua a través de canales subterráneos y porlo cual la superficie es accidentada.

Figura 6. Acercamiento del estado de Puebla y la zona de estudio señalada.

En negro y blanco las zonas hidrológicas y sus respectivas ramificaciones, además de estructuras geológicas quedeterminan el movimiento de las aguas.Piso inferior (nubes bajas, gris oscuro): altitud entre los 0 y 2 km. Tipo de nubes: estratos, nimbos y estratocúmulus.



Las rocas más solubles que la caliza, como la sal, gema yyeso, podrían ser más favorables para el desarrollo de unkarst, pero la plasticidad de este tipo de rocas no permi-te el desarrollo de una red subterránea porque cierran suscavidades.

Los terrenos de tipo arcilloso originan una circulaciónsubterránea con formación de galerías y cavidades y estose debe a que están fisurados por la desecación.

10. Movimiento de las aguas subterráneas

Al infiltrarse por el suelo, el agua de las precipitacionesno permanece quieta o estancada, sino tiende a moverseen direcciones distintas de acuerdo al tipo de rocas quese encuentre en su camino y también de la pendiente delnivel freático.

El agua se mueve hacia abajo debido a la fuerza de gra-vedad, llenando así todos los espacios vacíos disponiblesdel fondo hacia arriba, se mueve con rapidez al pasar por lazona vadosiana y al llegar a la capa freática se mueve congran lentitud o su movimiento es nulo. En zonas donde lasgrietas son pequeñas y también entre los poros de las are-niscas el movimiento del agua se reduce considerablementepor motivo de la fricción.

En las areniscas la velocidad es poca y la cantidad deagua que circula por ellas no puede compensar el agua quees extraída por los pozos y esto provoca que el nivel freáticodescienda.

El agua subterránea no viaja uniformemente en todoslos tipos de rocas y esto se debe a la porosidad y a lapermeabilidad de los materiales terrestres. La porosidadde una roca está determinada por la proporción que ocu-pan huecos o intersticios en su volumen total, esto es elporcentaje de una roca o suelo que representa los espa-cios vacíos o abiertos.

Cuanto más porosa es una roca, la cantidad de espaciosabiertos que contiene es más grande, y por medio de estosespacios el agua subterránea debe circular. La variación dela porosidad en las rocas puede variar desde una fracciónde 1% para las rocas ígneas que se encuentran frescas, has-ta un 90% para el lodo recientemente asentado. Las rocasporosas absorben gran cantidad del agua superficial quelogra infiltrarse.

La permeabilidad de una roca es la capacidad que tieneésta para dejar pasar el agua bajo presión; una roca debeser porosa para ser permeable, esto es si las rocas sonpermeables permitirán que el agua subterránea circule confacilidad o libremente a través de estas, y por lo tanto elmovimiento subterráneo es más facilitado.

La velocidad con que una roca transmite agua dependede su porosidad total y también del tamaño de las conexio-nes entres sus aberturas.

Las rocas que son porosas y permeables y permiten elflujo libre del agua subterránea son las que forman la capafreática, mientras que las rocas que no permiten la infiltra-ción del agua se dice que son impermeables o estancas.

El movimiento del agua hacia la zona de saturación se lellama circulación poco profunda o vadosa. En la zona desaturación el agua no se encuentra estacionaria y tiende aalejarse despacio por las líneas de menor resistencia a tra-vés de las rocas, pero si hay una salida inferior a lo largo delfondo de un valle, lago u otro depósito, el agua circularápor ahí aunque su ruta sea muy accidentada antes de salirotra vez a la superficie.

Debajo de la zona de saturación, la profundidad a laque el agua superficial penetra depende del carácter de lasrocas. En algunas rocas, las aguas superficiales alcanzanprofundidades de varios miles de metros, mientras en otraslas profundidades sólo llegan a unos pocos centenares, obte-niéndose poca agua.

De la misma forma que el agua de la superficie necesitauna pendiente para moverse, el agua subterránea debetener también una pendiente para su desplazamiento; estapendiente del nivel freático se conoce como gradientehidráulico.

El movimiento de un líquido puede ser laminar o turbu-lento. En el movimiento laminar, el escurrimiento es orde-nado y uniforme, en cambio en el movimiento turbulentose forman remolinos y movimientos irregulares. El aguasubterránea tiene movimiento laminar y esto se verifica avelocidades reducidas; al escurrimiento laminar del aguasubterránea a través de las rocas se le llama percolación.

Las aguas que se precipitan al introducirse en el subsueloentran en contacto con las rocas a lo largo de su recorrido,principalmente con sus minerales, de esta forma incorpo-ran y a su vez transportan los materiales que posteriormen-te modifican el subsuelo.

Toda agua subterránea contiene siempre una cantidad dematerial mineral en solución como el hierro y el sílice; estoscompuestos se incorporan al agua cuando pasa a través delsuelo y desciende hacia la zona de saturación. El agua ad-quiere también del suelo el bicarbonato de calcio y tambiénal pasar por cualquier caliza.

La materia mineral disuelta son: los bicarbonatos y sulfatosde calcio, magnesio y sodio, y en menor cantidad los cloruros,silicatos y fosfatos y otros compuestos. Algunos de estosmateriales entran en solución debido a la acción del dióxidode carbono que proviene de la atmósfera debido a la lluvia.



Las aguas que más abundan sonlas aguas carbónicas, que contienenácido carbónico y carbonatos y éstasse encuentran tanto en manantialescomo en aguas subterráneas. Para quelas aguas carbónicas puedan disolverel carbonato cálcico (CaCO3), debencontener anhídrido carbónico (CO2),que se encuentra disuelto en ellas pro-cedentes de la atmósfera y al reaccio-nar con el agua se forma el ácido car-bónico:

CO2 + H2O= H2CO3

Este ácido al reaccionar con el carbonato cálcico forma elbicarbonato soluble:

H2CO3 + CaCO3 = Ca(HCO3)2

La acción disolvente de las aguas subterráneas provoca elaumento de la porosidad de las rocas, las superficies de lasrocas se tornan más irregulares, también se forman losestilolitos, las grietas y diaclasas se ensanchan, se formantorcas y cavidades de hundimiento y se originan ríos perdi-dos, cavernas, puentes naturales y las llamadas topogra-fías kársticas.

Conforme las aguas subterráneas incorporan y trans-portan los materiales de las rocas sus poros se hacen mayo-res hasta que nuevas depositaciones o derrumbes los vuel-van a llenar. Por la disolución las rocas se vuelven bastanteporosas y el aumento de esta porosidad provoca su de-rrumbamiento.

La acción disolvente de las aguas subterráneas en conexióncon la presión a la que se hallan sujetas las rocas provoca laformación de los estilolitos, los cuales son columnas, pirá-mides o conos tallados verticalmente en las calizas, dolomitasy raramente en otras especies petrográficas.

El deslizamiento del agua subterránea a través de las pa-redes de las diaclasas o fisuras provoca la disolución de losminerales que contienen éstas y los arrastra; de esta formalas grietas son ensanchadas y así pueden llegar a convertirseen huecos de suficiente amplitud por donde el agua puedemoverse libremente.

Los materiales insolubles pueden acumularse en el caucede la corriente subterránea y los de las partes altas puedenser arrastrados por las aguas, continuando la circulación delagua y su acción disolvente principalmente a lo largo de lasparedes de las rocas.

Si la velocidad de la disolución esmás rápida que la depositación de losmateriales insolubles, la oquedad seensancha rápidamente y esto provo-ca una depresión superficial tambiénllamada torca o agujero de hundimien-to, y generalmente se forman sobresistemas de cavernas en las cuales lasaguas que descienden se depositan(véase figura 6).

Al entrar en contacto con el seno derocas solubles –tales como yeso, cal,calcita y dolomitas– se forman las gran-des cavernas, que son más frecuentes

en los terrenos horizontales, pero también se pueden for-man sobre rocas inclinadas.

Los cementantes comunes de las rocas sedimentarias degrano fino y grueso como son calcáreo, silícico o de óxidosde hierro, se componen generalmente de las aguas quepercolan bajo la superficie y que precipitan los minerales.

11. Acción mecánica de las aguas subterráneas

La mayor parte del trabajo que llevan a cabo las aguas sub-terráneas es de carácter químico, como lo es la incorpora-ción y deposición de material mineral, así como la erosiónque realiza a través de su recorrido debajo de la superficie.

Los resultados y efectos más frecuentes de la acción mecá-nica que las aguas subterráneas realizan en la superficie sonlos corrimientos o deslizamientos de tierras y también losresbaladeros de rocas. Esta acción se realiza debido al movi-miento del agua, por lo que sólo es posible cuando las co-rrientes subterráneas adquieren el volumen suficiente paramoverse con gran rapidez y al mismo tiempo transportarpartículas de rocas. Existe un factor que contribuye notable-mente y de forma importante a los deslizamientos de tierrasy resbaladeros de rocas, el cual es el factor de lubricidad queadquieren las arcillas y pizarras cuando se humedecen.

Para prevenir estos efectos, los satélites informan sobrela posibilidad de lluvias importantes en una región, de ma-nera que con la combinación de la geología y lluvias, sepuede advertir sobre riesgos a la población de regionesmontañosas y la probabilidad de deslizamientos de las lade-ras de la montaña.

Si dichas superficies se encuentran situadas bajo una capade roca de tipo poroso y también saturada donde éstas seconvierten en planos ideales para el deslizamiento, a lo lar-go de los cuales las rocas pueden deslizarse hacia abajo, losbloques de arena descienden por las pendientes y grandes

Los resultados y efectos más

frecuentes de la acción

mecánica que las aguas

subterráneas realizan en la

superficie son los

corrimientos o deslizamientos

de tierras y también los

resbaladeros de rocas.



masas de roca también se desprenden de las laderas de losmontes y colonias.

Los resbaladeros constan de grandes acumulaciones derocas destrozadas que pueden descender lentamente ha-cia los valles alcanzando de vez en cuando varios kilóme-tros de longitud. Este mismo procedimiento sucede en losmontes donde de igual forma enormes cantidades de pie-dras se deslizan a través de las laderas dando lugar a otrosresbaladeros.

El agua subterránea emerge de forma natural en losmanantiales o filtraciones; en los manantiales el aguaemerge desde un punto y en las filtraciones emerge deforma esparcida. El manto freático se forma cuando elagua subterránea se mueve libremente hacia abajo desdela superficie terrestre, hasta que logra alcanzar una capade roca impermeable o hasta que llega al nivel freáticodonde comienza a moverse lateralmente para luego fluir;surgen a lo largo de las laderas o valles y se forman cuan-do arena, grava, arenisca u otros estratos porosos reposansobre capas impermeables.

En las regiones húmedas, la mayor parte de las corrien-tes permanentes reciben una cantidad, por lo menos desu caudal, de los depósitos de agua subterránea. Las co-rrientes que escurren todo el año llegan a erosionar suscauses hasta que adquieren suficiente profundidad paraintersectar el manto freático. Muchasde las excavaciones para carreterasdan lugar a este tipo de manantiales ofiltraciones.

Cuando una capa impermeable seencuentra bajo una capa o estrato quetiene una mayor permeabilidad, elagua subterránea tiende a moverse hacia abajo siguiendola pendiente que tenga esta superficie que se le llama decontacto: si esta superficie de contacto queda expuesta ala intemperie debido a la erosión o excavación se llegan aformar los manantiales o filtraciones de contacto.

La mayoría de los mantos tienen un gasto variable deacuerdo a las épocas, desde los flujos intermitentes, los cualesdesaparecen cuando el nivel freático se abate durante laépoca de sequía, pasando por los que tienen un escurrimientomuy pequeño, hasta los que pueden producir millones delitros por día. El agotamiento de los mantos ocasiona gra-ves incidentes a la agricultura y el urbanismo, provoca elasentamiento del suelo desequilibrando las construcciones.

La magnitud del descenso del nivel freático se relacionacon la permeabilidad y con la velocidad de extracción; loscambios del clima pueden causar grandes problemas en losrecursos hídricos de muchas zonas, principalmente en las

regiones áridas y semiáridas, y también en las zonas húme-das, en las cuales se ha provocado la escasez de agua. Alelevarse el manto freático, también aumenta el gradientehidráulico y esto provoca que la filtración en las partespermeables de alrededor crezca.

12. Geología de la zona norte del estado de Puebla

El modelo geológico de la zona norte corresponde a unafosa tectónica de orientación NE-SW (noreste-suroeste) du-rante el Cenozoico, con ampliación en el extremo noreste;la fosa está constituido por varios metros de sedimentosaluviales y volcanoclásticos.

El modelo geológico regional indica que dicha zona tienecomunicación hidráulica entre sí a través de fracturas en lasunidades consolidadas, así como por el material aluvial quesubyace al relieve volcánico cuaternario. Considerando estoy la posición topográfica más alta del lugar, se considera queésta es parte del área de recarga de las redes hidrológicas.

La superficie presenta una deforestación que ha propi-ciado directamente el incremento del escurrimiento super-ficial y consecuentemente ha disminuido la infiltración; exis-ten intensos problemas de erosión de suelos, produciendocon ello una gran cantidad de sedimentos que han azolvadoprácticamente a la zona.

Las diversas actividades humanas se manifiestan en unadegradación ambiental importante y evidente, conduciendoa cambios climáticos locales observables en los contenidosde humedad del suelo.

La zona de estudio tiene 575 km2 de superficie, de loscuales 80 km2 corresponden a planicie, el resto se distribu-ye entre relieves de lomeríos y zona montañosa.

Los modelos geológicos están apoyados en estudios geo-físicos de campo (resistividad, gravimetría y magnetome-tría), y con base en esta información se definieron seccionesgeológicas para determinar el control hidrológico o efectospor la configuración del basamento y la topografía.

13. Geología estructural de la zona

Por medio de la imagen de satélite se identificaron rocasvolcánicas en la parte oriental del Cinturón Volcánico Mexi-

El modelo geológico regional indica que dicha zona tiene comunicación

hidráulica entre sí a través de fracturas en las unidades consolidadas, así

como por el material aluvial que subyace al relieve volcánico cuaternario.



cano, volcanismo básico en la parte oriental de Teziutlan yrocas volcánicas en el noreste de Libres.

El relieve está dispuesto en forma elíptica y en su interiorencierra una planicie. En el sector norte se forma un relie-ve sin erosión, en el lado este, el relieve constituido pormaterial piroclástico forma una meseta que se extiende deSE (sureste) a NW (noroeste), hacia el sur, la coexistencia derelieves terciarios y cuaternarios define más diversidad derelieve (valles aluviales, conos volcánicos y mesetas), sobre-saliendo la esquina sureste donde se tiene la mayor eleva-ción de unos 1,300 msnm (metros sobre el nivel del mar)en el relieve y paredes volcánicas de la Sierra.

Existen paredes y bloques semitabulares que formanmesetas, este relieve está orientado en una dirección NW-SE, hacia el occidente, el relieve del norte y del sur se aproxi-man uno a otro y forman el límite occidental de la zona deestudio, existiendo un estrecho valle y determinando así unacuenca cerrada.

En el periodo Cuaternario, al noreste de la zona de estu-dio afloran lavas andesíticas basálticas de color gris oscuro(ácida) y subyacen a rocas basálticas cuaternarias, la andesitatiene una matriz microlítica que presenta minerales deandesina y fenocristales pequeños de olivino.

Los sedimentos contienen horizontes de arena volcánicay toba lítica interestratificados, con depósitos fluviales y conuna inclinación de unos 12º al SE; las capas de tobas y are-nas miden algunos metros de grosor y hay entre ellas hori-zontes de arcilla.

La zona de Chignahuapan consta de piroclastos vertica-les de diferente granulometría; está integrado por unaignimbrita que intemperiza a colores claros y oscuros, tienetextura vitro-fluidal con abundancia de esferulitas yobsidiana, siendo capas de lapilli, pómez y ceniza fina deaspecto arcilloso.

La cantidad y distribución de las estructuras geológicas,responden a un sistema de fracturas y fallas de orientaciónpredominante NE-SW y E-W, que ha sido relacionado a even-tos tectónicos propios del cuaternario; todas las rocas vol-cánicas en esta zona presentan fracturamiento.

Las estructuras geológicas visibles en las imágenes NOAA-12,NOAA-15 y fotografía aérea, muestran una distribución de larocas cretácicas y jurásicas cercanas a la zona de estudio, per-mitiendo relacionar la planicie de Chignahuapan con una de-presión tectónica definida por lineamientos NE-SW y NW-SE.

Esta depresión está limitada al norte por un lineamientoasociado a los pliegues de la Sierra Madre Oriental y a fa-llas inversas paralelas a los pliegues NW de la zona.

Los datos obtenidos y los ya existentes en las medicionesde gravimetría y magnetometría permitieron conocer la pla-

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nicie, la estructura geológica y la profundidad del basamen-to. En la interpretación de los datos gravimétricos se em-plearon algoritmos para modelar en dos y tres dimensionesy considerar los efectos de la topografía.

Conclusiones

Este trabajo muestra los resultados obtenidos de las imáge-nes AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) yATP de la Estación Terrena de Satélites de la Secretaría deGobernación del estado de Puebla, en colaboración con laUniversidad Tecnológica de Puebla; los estudios se enfoca-ron al análisis, identificación e información de los aspectosrelacionados a las ciencias de la tierra (geológicos, ecológicosy edafológicos, entre otros) y atmosféricas (seguimiento defenómenos meteorológicos) en la zona de estudio.

Se obtuvo información de los diversos satélites localiza-dos en el espacio, se procesaron las imágenes en los canales1 al 5; el canal 1 con rango visible y los canales 2 al 5,infrarrojos (térmico).

Los estudios realizados en la zona norte del estado dePuebla nos han permitido identificar zonas de mantosfreáticos y estructuras geológicas de mediana altitud, quemuestran una filtración y acumulación de aguas que en épocade lluvias es muy importante.

Se determinó, además, que su configuración geológicabásica ocurrió durante el Cenozoico; el periodo Cuaternariose caracterizó por un intenso protagonismo tectónico y sís-mico. Las zonas de mayor actividad volcánica se sitúan alsur de la gran falla transversal que sigue la línea del paralelo19, que junto con la geohidrología determinada nos mues-tra una zona altamente potencial en aguas subterráneas.

aplicación de imágenes satelitalesde altitud superior a los 800 m o 1,000 m depende de la...

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