Introducción

A diferencia de las olas del mar que se generan por la acción del viento, los tsunamis son provocados por una deformación del fondo marino o por un desplazamiento de la columna de agua que puede ser causada por terremotos, deslizamientos submarinos o subaéreos, y por erupciones volcánicas ^{(Intergubernamental Oceanografic Commission, 2014}). Se diferencian en que los periodos y la longitud de onda de los tsunamis son significativamente mayores y afectan, de manera considerablemente intensa, las zonas costeras (^{Pungh, 2004}). Además, estos pueden viajar a velocidades de hasta 500 millas por hora y tener longitudes de onda de cientos de kilómetros (^{Friedman, 2019}).

Aunque los tsunamis son poco frecuentes, algunos estudios han demostrado que, a Costa Rica, en el periodo comprendido entre 1520 y el 2021, han arribado al menos 42 tsunamis entre locales, regionales y lejanos (^{Chacón-Barrantes, Murillo y Rivera, 2021}). Las costas del Pacífico han experimentado una mayor cantidad de eventos (~37) debido al proceso de subducción de la placa del Coco bajo la placa Caribe (y la microplaca de Panamá) a lo largo de la fosa Mesoamericana (Figura 1), a distintas velocidades de convergencia (^{DeMets et al. 2010}). A pesar de esto, el sector Caribe también es de alta relevancia, con estructuras tectónicas como el Escaper de Hess y el Cinturón Deformado del Norte de Panamá (CDNP). En efecto, de los tsunamis confirmados hasta 2021, solo el evento de Limón en 1991 ha resultado en pérdidas humanas ^{(Chacón-Barrantes, Murillo y Rivera, 2021}). Con este antecedente, es claro que existe la probabilidad de que un evento tsunamigénico pueda afectar al país en ambas costas y en cualquier momento. Es por esto que la preparación y conocimiento de las áreas de inundación, mediante modelados, es fundamental para el ordenamiento territorial, especialmente en zonas donde el desarrollo urbano y turístico debe considerar, de forma prioritaria, el riesgo por tsunamis.

Estudios sobre tsunamis en Costa Rica han resaltado al menos diez tsunamis que causaron daños significativos, subrayando la importancia de fuentes sísmicas clave y las áreas con mayor potencial sísmico en ambas costas (^{Fernández, 2002}). La amenaza por tsunami en ambas costas destaca la necesidad de implementar planes de capacitación ciudadana para enfrentar la vulnerabilidad y mitigar los riesgos asociados (^{Fernández-Arce y Alvarado, 2013}). En respuesta a esta amenaza, se ha desarrollado un método para elaborar rutas de evacuación optimizadas en áreas vulnerables, como lo es el caso del Pacífico Norte y Central, con el objetivo de mejorar la preparación ante tsunamis (^{Rivera et al., 2016}). Para entender mejor su dinámica territorial, estudios de campo han evaluado relatos de lo ocurrido durante el terremoto de 1991 (^{Nishenko et al., 2021}), donde se evidencia la vulnerabilidad de las comunidades costeras, con inundaciones de hasta 200 m tierra adentro, sobresaliendo la necesidad de los sistemas de alerta temprana.

Las simulaciones numéricas de tsunamis se realizan con modelos específicos, que son diseñados para conocer la propagación y la inundación de un potencial tsunami, conociendo, en este caso, los parámetros de una fuente de terremotos conocida, o científicamente determinada (^{Kânoğlu y Synolakis, 2015}). Para poder hacer un modelado correcto se necesita tener una batimetría y topografía bien definida, con una resolución de 50 m a un máximo de 500 m para modelos globales, en cuanto a batimetría y de 5 a 10 metros para topografía terrestre ^{(Dirección de Hidrografía y Navegación (DHN), 2020}), donde la cota 0 esté bien establecida. Además, es necesario tener los parámetros de la falla sísmica, como lo son la profundidad epicentral, el largo y ancho de la falla, el deslizamiento de la falla y el mecanismo focal (strike, dip y rake), así como contar con un software para el modelado. En este trabajo se ha realizado el modelado de tsunamis de fuentes sísmicas por medio del programa COMCOT (Modelo Cornell Multi grid Coupled Tsunami) (^{Wang, 2009}), en el Pacífico y el Caribe de Costa Rica.

El objetivo de este trabajo es aproximar magnitudes máximas, a lo largo de posibles rupturas, para dos posibles fuentes sísmicas en el Caribe (M _w 7,6 y 7,9) con base en ^{Zamora et al. (2021)}, y una en el Pacífico, de acuerdo con un hipotético peor escenario en los segmentos Central y Sur de la zona de subducción interplaca (M _w 8,1), de acuerdo con ^{ArroyoSolórzano y Linkimer (2021)} (Figura 1). Finalmente, con base en los escenarios modelados, se muestran las series temporales de altura de ola, derivadas de las simulaciones en algunas de las costas más turísticas e importantes del Caribe (Tortuguero, Limón y Puerto Viejo) y del Pacífico de Costa Rica (Manuel Antonio).

El conocer el área de inundación de un potencial tsunami es fundamental no solo para la determinación de rutas de evacuación, sino también para una planificación territorial efectiva en zonas vulnerables. Si bien, existen estudios previos y mapas de evacuación aprobados por la Comisión Nacional de Emergencias (CNE), este estudio aporta un enfoque más detallado al integrar modelos de simulación de tsunamis que permiten evaluar escenarios específicos en localidades clave, considerando la relevancia turística y poblacional. Así, este trabajo representa un insumo hacia el ordenamiento territorial y el desarrollo de estrategias más precisas para el ordenamiento de zonas costeras, donde el riesgo de tsunami debe ser considerado, de forma prioritaria, en proyectos de urbanización y desarrollo turístico.

Fuente: Las elevaciones mostradas provienen de los modelos de batimetría global de GEBCO (2019).

Figura 1: Ruptura aproximada de las principales fuentes analizadas y sitios de medición de boya para altura de ola en las playas turísticas seleccionadas (cuadros amarillos). 

Datos y métodos

Se modelaron tres escenarios para evaluar el potencial tsunami (Figura 1). El primer escenario se presenta en el Caribe Sur de Costa Rica, el cual se caracteriza por un fuerte régimen compresivo que pertenece al Cinturón Deformado del Norte de Panamá (CDNP), correspondiendo con una ancha zona arqueada activa de pliegues y cabalgamientos, en el margen Caribe de Panamá (^{Silver et al., 1990}). En este sector, ^{Arroyo y Linkimer (2021)}, sugieren, a partir de tomografías sísmicas, una zona de subducción incipiente. Un segundo escenario se propone para una hipotética ruptura en el Escarpe de Hess (HESS), la cual es una estructura tectónica que ha sido interpretada como falla de rumbo, con sentido noreste, y representa una zona de límite entre los bloques geológicos Chortis y Chorotega (^{MacKenzie et al., 2008}). Por último, el tercer escenario se propone en el Pacífico, en la región central-sur de esta vertiente, con epicentro cerca de la península de Osa y ruptura que se propague hacia el segmento central (Quepos) y hacia el sur (Península de Osa).

La Tabla 1, resume los parámetros de las rupturas sísmicas utilizadas para obtener la deformación de la corteza, que es la condición inicial en el modelado numérico de tsunamis. Esto se implementó en COMCOT, de acuerdo con los parámetros generales de la simulación de 180 minutos y con intervalos cada 60 segundos para cada uno de los escenarios (anexo 1). Este modelo utiliza mallas anidadas (topo-batimétricas), y datos de la fuente sísmica, lo que permite estimar los tiempos de arribo y el área de inundación, todo esto bajo principios matemáticos. Se basa en ecuaciones de aguas someras lineales, derivadas de una simplificación de las ecuaciones de Navier-Stokes para fluidos incompresibles y homogéneos (^{Friedman, 2019}).

Los parámetros de ruptura se infirieron con base en las relaciones de escalamiento de magnitudes de ^{Blaser et al. (2010)} y ^{Allen y Hayes (2017)}. Estas relaciones son específicas para regímenes de subducción interplaca, y, además, para terremotos offshore. El deslizamiento en la falla se determinó usando como referencia la magnitud máxima asociada a cada escenario. En el caso del Escarpe de Hess la magnitud máxima (Mw 7,6) se estimó de acuerdo con las relaciones de escalamiento de ^{Blaser et al. (2010)}, usando como referencia el estudio de ^{Zamora et al. (2021)}, donde consideran el largo de falla.

En el caso del escenario en el Caribe Sur, la magnitud máxima se determinó a partir del momento sísmico acumulativo (^{Makropoulos y Burton, 1983}) disponible en la zona sísmica, según la zonificación sísmica propuesta por ^{Alvarado et al. (2017)}. El método de momento sísmico acumulativo transforma en magnitud la cantidad acumulada de momento sísmico medido entre dos curvas envolventes, según el catálogo de terremotos, en este caso, basado en el catálogo de la Red Sismológica Nacional de Costa Rica (RSN-UCR), de acuerdo con ^{Arroyo-Solórzano y Linkimer (2021)}. Por último, para el escenario del Pacífico CentralSur, la ruptura se determinó a partir de la magnitud máxima inferida, de acuerdo con toda la sismicidad registrada en el país ^{(Arroyo-Solórzano y Linkimer, 2021}), asumiendo que esto ocurriera en los segmentos de Osa y Quepos ^{(Alvarado et al., 2017}). El mecanismo de las rupturas modeladas lo definimos en concordancia con la caracterización de estas fuentes, realizada por estudios anteriores (^{Zamora et al., 2021}; ^{Hidalgo-Leiva et al., 2023}). Los archivos de configuración general de cada una de las fuentes, donde se muestran sus dimensiones y mecanismos de ruptura, se muestran en los anexos 2, 3 y 4.

Para la ejecución del modelado en COMCOT, es necesario definir un sistema jerárquico de grillas batimétricas de distintos tamaños y resoluciones, que permitan refinar el modelado en áreas de interés. En este trabajo, se emplearon tres niveles de grilla. El nivel 1 abarca una región extensa del Caribe, utilizando datos de batimetría global ^{GEBCO (2019)} con una resolución de 1 arco minuto (aproximadamente 1.8 km). Para el nivel 2, se emplearon cartas náuticas digitalizadas del Caribe Sur, con una resolución de 16 segundos de arco (500 m), y para el nivel 3, centrado en zonas costeras clave como Puerto Viejo y Cahuita, se utilizó una resolución de 4 segundos de arco (120 m). Estas resoluciones representan el mínimo nivel de detalle posible con la información disponible.

Por último, se analizó la evolución del nivel del agua y el arribo de las olas en boyas hipotéticas o “virtuales” (Figura 1), localizadas en puntos turísticos clave en cada una de las costas. Para los escenarios del sector Caribe se seleccionaron las playas de Tortuguero, Limón y Puerto Viejo, mientras que, para el escenario en la costa del Pacífico, se tomó como punto de referencia la playa del Parque Nacional Manuel Antonio.

Resultados1 2 3 4

El potencial tsunamigénico se determina a partir de la generación, propagación e inundación regional de tsunamis, con base en simulaciones numéricas. Para cada escenario, se ha generado una “película” de lo que sería el proceso de simulación en los 180 minutos modelados. La configuración de los archivos de entrada para ejecutar estas simulaciones en COMCOT se puede visualizar en los anexos de este documento y se muestran capturas a 1 min, 30 min, 1h y 2h de las rupturas, para el escenario en el CDNP (Figura 2), para el Escarpe de Hess (Figura 3), y para el Pacífico Sur-Central (Figura 4).

La Figura 5 muestra las series de tiempo registradas en las cuatro boyas virtuales, según cada terremoto. En cada gráfico la amplitud de la ola y el tiempo de simulación numérica es de 3 horas (180 min). Con estas series de tiempo se observan los arribos y las amplitudes de la ola en aguas someras, cuyas primeras apariciones varían entre 5 y 20 minutos, según la distancia de la boya a la zona de deformación.

De los sitios estudiados para los tres escenarios modelados en este estudio, el evaluado a lo largo del Escarpe de Hess es el que podría generar mayor afectación, con un tsunami que afectaría toda la costa Caribe de Costa Rica y presentaría alturas máximas de 1,1 m en el sector de Tortuguero (Figuras 1 y 5b). Los escenarios del CDNP y Pacífico Central-Sur, a pesar de ser más grandes (Mw 7,9 y 8,1, respectivamente), generarían alturas máximas que no superan 1 m en los sitios turísticos mencionados. El escenario del Pacífico se consideró para el Parque Nacional Manuel Antonio, esto, debido a su relevancia, por ser uno de los sitios más visitados del país. Al respecto, en 2023, este parque nacional recibió un total de 419 876 visitantes, consolidándose como uno de los destinos más frecuentados de Costa Rica ^{(SINAC, 2023}). Sin embargo, este escenario no solo es importante para esta playa, ya que podría presentar también afectación en otras zonas costeras del Pacífico, lo cual se refleja en la secuencia de la simulación, con gran refracción de oleaje a lo largo de la costa (Figura 4).

Fuente: Elaboración propia

Figura 2:  Simulaciones de la propagación y altura de ola para el escenario sísmico en el CDNP (Limón Sur) a 1 min, 30 min, 1h y 2h de ocurrido el evento. 

Fuente: Elaboración propia

Figura 3: Simulaciones de la propagación y altura de ola para el escenario sísmico en el Escarpe de Hess a 1 min, 30 min, 1h y 2h de ocurrido el evento 

Fuente: Elaboración propia

Figura 4: Simulaciones de la propagación y altura de ola para el escenario sísmico en el Pacífico Central-Sur a 1 min, 30 min, 1h y 2h de ocurrido el evento. 

El análisis conjunto de las alturas de ola y los tiempos de arribo permite medir no solo la magnitud del impacto esperado, sino también las condiciones para la evacuación y la planificación territorial. Para el escenario del Caribe Sur, por ejemplo, las alturas de ola simuladas para Limón alcanzan niveles que podrían generar inundación significativa en los sectores urbanos y portuarios, lo que, sumado al tiempo de arribo estimado, exige una capacidad de respuesta eficiente y protocolos claramente definidos. En Tortuguero, la combinación de olas de gran amplitud, con tiempos de llegada más reducidos en un escenario como el del Escarpe de Hess, sería particularmente desafiante para la evacuación, dada la morfología plana del terreno y las limitadas rutas de salida. En el caso del Pacífico, las alturas de ola proyectadas en zonas turísticas tan importantes como el Parque Nacional Manuel Antonio, refuerzan la necesidad de considerar esta amenaza en el desarrollo costero.

Fuente: Elaboración propia

Figura 5: Series de tiempo para cada escenario, registradas en cuatro boyas virtuales, frente a las costas de las playas turísticas e importantes, analizadas en este estudio. 

Discusión

Un aspecto para resaltar de los resultados obtenidos es la influencia de la morfología costera. En el Caribe, la morfología predominante es de tipo lineal, con playas en flecha, lagunas costeras y sistemas de islas barrera, formados por sedimentación fluvial y marina (^{Barrantes-Castillo y Sandoval-Murillo, 2021}), con baja energía de oleaje y alta dinámica sedimentaria ^{(Ortiz-Malavassi, 2012}). Para el Pacífico, la morfología costera es más extensa y variada, debido a los procesos tectónicos y fluviales, con acantilados, golfos, manglares y playas de alta energía ^{(Ortiz-Malavassi, 2012}). Estas diferentes morfologías, así como el proceso de ruptura y directividad de la fuente, tienen un impacto en la altura de ola y el momento del arribo de esta. Por ejemplo, para el escenario en el CDNP (Figura 5a), la llegada del tsunami a Puerto Viejo sería casi inmediata, pero con alturas muy bajas, mientras que, en ese mismo escenario, la altura es mayor en Limón o Tortuguero, al transcurrir 1 h. Esta situación morfocostera de Puerto Viejo que, en cierta medida, lo protege de la influencia de tsunamis, se refleja y es consistente en los dos escenarios modelados para el Caribe (Figura 5a y 5b). Esto subraya la influencia de las barras arenosas, plataformas arrecifales y su localización dentro de una bahía parcialmente protegida, características propias de la morfología costera del Caribe costarricense ^{(Barrantes-Castillo y Sandoval-Murillo, 2021}; ^{Ortiz-Malavassi, 2012}).

El efecto de propagación resulta muy llamativo en los escenarios del Caribe Sur en el CDNP y del Pacífico Central-Sur, notándose una influencia directa de la batimetría en la propagación (Figura 1). Para el primero de estos, el Escarpe de Hess provoca una barrera importante, retrasando el arribo del tren de olas a las costas del Caribe de Nicaragua (Figura 2 y Figura 3). Para el Pacífico se observa lo mismo, debido a la cordillera submarina del Coco (Ridge del Coco), que se subduce cerca de la fuente modelada (Figura 1), donde se da gran cantidad de refracción de ondas, producto de la influencia de esta morfología (Figura 4).

Los patrones de propagación del frente de ola para los escenarios en el Caribe muestran diferencias en dirección, velocidad de llegada y concentración de energía en los puntos de interés evaluados (Figura 2 y Figura 3). En ambos escenarios, la dirección principal de propagación del frente de ola es hacia el noreste del Caribe, alejándose progresivamente de la fuente sísmica. Aunque Puerto Viejo recibe la llegada del tsunami casi inmediatamente después del evento, la amplitud es muy baja, debido a su ubicación, fuera del eje principal de propagación. En contraste, Limón y Tortuguero, ubicadas en línea con la dirección de propagación, registran mayores amplitudes de onda, aproximadamente una hora después del evento, evidenciando una acumulación más significativa de energía en esas zonas.

En el escenario del Pacífico (Figura 4), el frente de ola, en dirección al continente, muestra una orientación preferencial hacia el este-noreste, impactando directamente las costas de Manuel Antonio con tiempos de llegada cortos, pero con amplitudes más altas que en Puerto Viejo. A diferencia del Caribe, en este caso se observa una mayor concentración de energía sobre el área cercana al epicentro, con una dispersión del frente de ola hacia mar abierto en las horas siguientes. Estas diferencias reflejan cómo la combinación de la ubicación de la fuente, la batimetría regional y la morfología costera modulan, significativamente, la propagación y energía del tsunami.

Con respecto a los tiempos de arribo, el escenario del Caribe Sur en el CDNP afectaría en mayor medida a Limón, con los arribos más perjudiciales en aproximadamente 1 hora (Figura 5a). Para el caso del escenario del Escarpe de Hess, esto sucede para Tortuguero, con los arribos más perjudiciales entre 30 y 40 minutos (Figura 5b). Este escenario es de interés para retomar en estudios futuros, ya que esta estructura tectónica presenta una morfología propensa a deslizamientos, con potencial de generación de tsunamis (^{Zamora et al., 2021}). Por último, en el escenario del Pacífico, la mayor afectación para Manuel Antonio se da 103 min después de la ruptura, lo cual resalta la importancia de los procesos de refracción y reflexión de ondas (Figura 5c ).

Con base en las simulaciones numéricas se muestra que los tsunamis originados tendrían áreas de afectación limitadas a sus áreas de origen, esto, principalmente debido a la morfología del fondo marino y al potencial sísmico que presenta. Lo anterior se evidencia en especial para a los sismos simulados en el Caribe Norte de Costa Rica y al sur de Nicaragua, donde se generarían tsunamis locales. Además, se identificó que los sismos modelados permiten observar procesos de refracción y reflexión importantes. Esto es más evidente debido al patrón de propagación resultante, a partir del mayor potencial sísmico modelado en el Pacífico Central-Sur de Costa Rica. De esta forma, se remarca la importancia de la obtención y generación de batimetrías de mejor detalle para estudios futuros, lo cual permitiría una mejor discriminación entre la influencia de las características de la ruptura en el patrón de la inundación, o la influencia del fondo marino en el flujo.

Los resultados obtenidos ofrecen además fundamentos técnicos concretos para medidas de prevención en el ámbito del ordenamiento territorial. Por ejemplo, se sugiere limitar el desarrollo urbano e infraestructura crítica en zonas de alta exposición y con poco margen de respuesta, establecer franjas costeras de protección sin construcción permanente, definir zonas de amortiguamiento para actividades turísticas, y la ubicación de albergues temporales en áreas elevadas y accesibles. Estas acciones, fortalecerían la resiliencia costera no solo ante eventos ya conocidos, sino también, frente a amenazas emergentes aún no consideradas en la planificación vigente.

En este contexto, cabe destacar el esfuerzo sostenido de la Comisión Nacional de Prevención del Riesgo y Atención de Emergencias (CNE) y el Sistema Nacional de Monitoreo de Tsunamis (SINAMOT), que han venido trabajando con las comunidades costeras, preparándolos ante este tipo de eventos. Gracias a esta labor, las localidades como Puerto Viejo y Limón cuentan con mapas de inundación y evacuación, señalización e incluso procesos en marcha para formalizar planes de respuesta. En el caso del Pacífico, Manuel Antonio ha obtenido el reconocimiento Tsunami Ready por parte de la UNESCO. Sin embargo, Tortuguero es la única zona evaluada en nuestro estudio que aún no ha sido abordada por estas instituciones. Considerando los resultados del escenario del Escarpe de Hess, con tiempos de arribo cortos y una alta exposición a la inundación, esta omisión plantea una oportunidad para priorizar las acciones de preparación y la planificación territorial en la zona.

Conclusiones

Se ha determinado el largo y ancho de hipotéticas rupturas a partir del recuento y simulación de posibles máximas magnitudes de terremotos (entre 7,6 y 8,1 Mw) en ambas costas de Costa Rica. Con base en esto, se simuló la propagación del tsunami y algunos de sus aspectos característicos, como la altura de ola, en algunos de los principales sitios turísticos del país, entre ellos: Puerto Viejo, Limón, Tortuguero y Manuel Antonio.

Del análisis de resultados se resalta que las características morfológicas de la costa y del fondo marino influyen, significativamente, en la propagación y amplitud del tsunami, modulando los tiempos de arribo y las zonas más afectadas por la inundación. Este efecto se observa con claridad en los sitios evaluados: por ejemplo, Puerto Viejo presenta tiempos de arribo muy cortos, pero alturas de ola reducidas debido a su ubicación, protegida por barras arenosas y plataformas arrecifales, mientras que, Limón y Tortuguero registran mayores alturas de ola, pero, con demoras de hasta una hora, y Manuel Antonio muestra una alta concentración de energía en tiempos relativamente breves. Estas diferencias refuerzan la importancia de considerar la variabilidad local en la gestión del riesgo.

A pesar de que en Costa Rica ya existen mapas de inundación y rutas de evacuación en diversas comunidades costeras, con programas como “Tsunami Ready”, este estudio aporta un enfoque complementario, mediante distintos escenarios tsunamigénicos. Las simulaciones presentadas permiten estimaciones de altura de ola, tiempo de arribo e intensidad de la inundación en sitios de interés, lo cual podría revelar diferencias respecto a los mapas preexistentes. Además, estos resultados no solo sirven para la potencial validación o ajuste de los planes de evacuación, sino que, también amplían el alcance hacia el ordenamiento territorial, al ofrecer criterios técnicos para la zonificación del riesgo y la planificación de infraestructura crítica. De esta manera, este estudio contribuye a una comprensión más integral y dinámica del riesgo por tsunamis y la planificación costera sostenible.

En Costa Rica ya hay varias comunidades costeras que han realizado esfuerzos importantes y cuentan con capacitación para la evacuación ante tsunamis. Sin embargo, el seguir refinando el análisis de las fuentes y su potencial, así como el impacto esperado, es clave para plantear aportes, en términos de gestión del riesgo sísmico y de tsunamis, lo que permitirá afinar los planes de preparativos y de respuesta.