1-10: Estructura y circulación oceánica

Los océanos son muy importantes en el movimiento del calor alrededor del planeta. En la escuela usted aprendió que el calor se mueve por conducción, conveccion y radiación. La radiación y la conducción son efectivos en la transmisión vertical del calor desde la superficie de la Tierra, pero son ineficientes en el sentido horizontal. El agua, al igual que el aire, es un fluido que puede transmitir calor de un lugar a otro. Los meteorólogos tienen diferentes términos para los movimientos horizontales y verticales del fluido, el movimiento en dirección vertical se llama convección hacia arriba y subsistencia hacia abajo, al movimiento en la dirección horizontal se le llama adveccion. La conveccion contribuye, junto con la radiación y la conducción, al movimiento del calor en dirección vertical, pero la adveccion es casi el único proceso que contribuye al transporte horizontal del calor sobre la superficie de la tierra.

El agua es cerca de 1000 veces mas densa que el aire. Debido al hecho de que la cantidad de energía térmica transportada por un fluido en movimiento es proporcional a su densidad, un volumen de agua transporta cerca de mil veces mas calor que el mismo volumen de aire. La tasa de transporte de calor se llama flujo de calor, y es medido en Joules de energía por unidad de área y tiempo, o sea que la tasa a la que este calor es transportado es proporcional a la rapidez del movimiento (la velocidad del aire en la atmósfera o la velocidad de la corriente en el océano). Debido a que la velocidad del viento es típicamente del orden de 10 m/s y las corrientes de deriva son del orden de los centímetros por segundo, la velocidad del aire es miles de veces mas grande que la velocidad de la corriente. Por lo tanto, el aire se mueve miles de veces mas rápido que el agua, pero transporta solamente 1/1000 del calor por unidad de volumen, lo que que sugiere que el agua es tan importante como el aire en el movimiento del calor alrededor del `planeta.

La primera imagen muestra las principales corrientes en los océanos del mundo. Localice el ecuador y la dirección general de los movimientos en los Hemisferios Norte y Sur. En el Hemisferio Sur se identifican dos patrones de circulación importantes, en el sentido contrario a las manecillas del reloj, sobre el Pacifico y el Atlántico Sur. El Océano Indico, al oeste de Australia, posee otras circulaciones de menor magnitud localizadas en el Mar de Arabia y la Bahía de Bengala en el Norte. Estos patrones de circulación contribuyen a crear el flujo oeste-este alrededor del casi circular continente Antártico, y este-oeste sobre el ecuador.

Las mayores corrientes oceánicas.

Los patrones de circulación, en el sentido de las manecillas del reloj en el Hemisferio Norte, incluye un giro único en el Atlántico Norte y dos celdas en el Pacifico Norte. Sobre los 40oN, los patrones de circulación se vuelven complicados debido a las interacciones con los continentes y con el Océano Artico, pero a pesar de que existen circulaciones pequeñas, el sentido de rotación (a favor de las manecillas del reloj) se mantiene. Notese la posición y dirección de la Corriente del Golfo en las afueras de la costa este de EUA y la corriente de deriva Norte en el Atlántico entre Groenlandia y Escandinavia. Un análisis mas cuidadoso de la imagen satelital de la Corriente del Golfo, con un realce del color para la temperatura, muestra la extensión horizontal de la corriente cálida y la estructura de los giros que se desarrollan en las afueras de la costa de Nueva Inglaterra.

Temperatura de la Corriente del Golfo. NASA

Una consecuencia interesante de esta circulación es que, en ambos hemisferios, las costas oestes de los continentes, generalmente tienen flujos hacia el ecuador y las costas estés tienen flujos hacia los polos. Esto sugiere que las costas oestes de los continentes tendrán aguas mas frías comparadas con las costas estés a la misma latitud. En los EUA el agua en la afueras de california es mucho mas fría que en las afueras de Nueva York a la misma latitud.

La Corriente del Golfo transporta agua tropical cálida en las afueras de la costa este de EUA en dirección a Gran Bretaña y los piases escandinavos, brindando a estas regiones un clima mas cálido que, por ejemplo, Alaska a una latitud comparable.

La rotación en las mayores cuencas oceánicas esta dominada por una combinación del estrés del viento sobre la superficie del océano y la fuerza de Coriolis (debido a la rotación de la Tierra). Como se discutió en la lección de la Estructura y Circulación Atmosféricas, los vientos de la Tierra en superficie soplan del este al oeste en el ecuador y generalmente del oeste al este en latitudes medias (30 a 60o al Norte y Sur del ecuador). El viento induce una corriente de deriva oceánica, casi en la misma dirección pero ligeramente desviada hacia la derecha en el Hemisferio Norte y hacia la izquierda en el Hemisferio Sur. Esto se observa en la figura que acompaña el párrafo.

Flujo Oceánico

El efecto de la fuerza de Coriolis se puede entender considerando la circulación oceánica como si fuera vista desde el Polo Norte (ver figura adjunta). La Tierra gira en el sentido de la flecha verde. La ley de conservación del momento dice que en ausencia de fuerzas, el momento de un objeto no cambia (Primera Ley de Newton). Supongamos que una parcela de agua (o aire) que tiene alguna de sus componentes de velocidad hacia el ecuador (el limite exterior del circulo) la movemos a una distancia considerable del eje polar. Debido a la rotación de la Tierra, la velocidad total de la parcela se incrementa (y aparentemente viola la primera Ley de Newton) a menos de que se mueva en la dirección opuesta a la rotación, como se muestra, y siga una ruta que recurve hacia la derecha. Una parcela que se mueva hacia el eje polar, se moverá similarmente en la dirección de las manecillas del reloj. Para un flujo al Sur del ecuador, el mismo razonamiento llevara a la conclusión de que la rotación en el Hemisferio Sur será en contra de las manecillas del reloj.

Relación de un frente polar con los cinturones de viento y presión.

La siguiente figura muestra una imagen conceptual del patrón de circulación global que relaciona las mayores cuencas oceánicas del planeta. La gran región del océano abierto en el Pacifico Ecuatorial suministra un calentamiento significativo al agua que deriva hacia el oeste y que pasa por el limite norte de Australia. Esta agua caliente y superficial deriva hacia el oeste a través del océano Indico y alrededor del extremo sur de Africa. De ahí esta se dirige hacia el Norte, cruzando el ecuador (tomando una dirección mas al este de lo que se muestra en la figura) y creando la Corriente del Golfo al este de Norte América. El agua caliente superficial se enfría en forma gradual conforme esta se mueve hacia el Norte y pasa por Gran Bretaña hacia el Mar de Noruega. En ese momento, el agua esta suficientemente fría y densa y se hunde hacia las profundidades del océano. Esto origina la corriente de retorno en gran escala en las profundidades y que se mueve hacia el sur a través del ecuador, regresa por el Sur de Africa, pasa por el borde Sur de Australia y regresa al Océano Pacifico Central. Un pequeño brazo de esta corriente de retorno se divide luego de pasar Africa y se interna en el Océano Indico donde emerge y refuerza la corriente superficial cálida que viene del Pacifico Central.

Ilustración conceptual tipo banda transportadora de la circulación en los océanos.

El flujo en profundidad se indica en la siguiente figura. Es importante destacar las regiones de hundimiento al nordeste de Islandia y en el Atlántico Sur cerca de la Antártida, el cual remueve agua de la superficie y la lleva a niveles profundos. Una tercera zona de hundimiento y menos extensa existe en el Mar del Labrador cerca de Groenlandia. Para entender la razón de estas regiones de hundimiento, debemos examinar las fuerzas que gobiernan el movimiento vertical en el océano.

Circulación Abisal

Los movimientos verticales en el océano están regulados por pequeñas diferencias en la densidad debido a variaciones en la salinidad (contenido de sales) y/o en la temperatura. Al aumentar el contenido de sales se incrementa la densidad, y generalmente el agua fría es mas densa que el agua caliente. En la figura adjunta se describe la densidad del agua pura como una función de la temperatura. La densidad se incrementa conforme la temperatura decrece a partir de los 20 oC. Esta tendencia cambia, sin embargo a partir de los 4 oC, en el máximo de la curva que indica que la densidad del agua decrece con la temperatura a partir de este punto. Para comprender el impacto de ello, considere un cuerpo de agua idealizado con temperatura uniforme de 20 oC. Cuando se enfría en la superficie, el agua aumenta su densidad y se hunde, siendo reemplazada por agua mas cálida y menos densa. Este proceso continua hasta que en la superficie (y en todo el cuerpo de agua) se alcanzan los 4 oC. Cualquier enfriamiento posterior en la superficie origina agua menos densa la cual permanece en los estratos mas superficiales. Luego la superficie se congelara si el enfriamiento persiste, pero los niveles bajos continuaran a 4 oC. Por lo tanto los peces y las plantas del fondo están protegidos del congelamiento. (Cualquier pescador canadiense debería tener este gráfico en su caja de anzuelos como un recordatorio de que los lagos en esas regiones tienen peces debido a este peculiar efecto!)

Densidad del agua pura vs. temperatura

El océano no tiene una salinidad uniforme. Conforme el agua oceánica fluye hacia el polo desde el ecuador, pasa por las zonas de las altas presiones subtropicales. En estas zonas existe poca precipitación pero una radiación solar intensa que favorece la evaporación. En las regiones en donde la evaporación es alta, el contenido de sales en el agua superficial aumenta y por lo tanto su densidad. El Mar Mediterráneo recibe un aporte relativamente pequeño de los ríos pero tiene grandes cantidades de evaporación debido a los cielos despejados y a la intensa radiación solar imperante en la zona. Como resultado, se generan aguas densas en esta cuenca las cuales se dispersan hacia afuera por el fondo a través del Estrecho de Gibraltar, dejando entrar agua menos salina por la superficie. Este efecto es notorio en la imagen de satélite adjunta de la NASA.

Estrecho de Gibraltar.NASA.

En las regiones en donde la precipitación es alta, como en la Zona de Convergencia Inter-Tropical del Océano Pacifico (ver la unidad de Estructura y Circulación Atmosféricas), el agua dulce de la lluvia permanecera sobre el agua salada de la superficie. En forma similar el hielo que se funde en las regiones polares será menos densa que el agua oceánica circundante con temperaturas de 4 oC, debido a su baja temperatura y salinidad.

Precipitación media anual del Océano Pacifico Tropical. Adapted from R.C. Taylor, 1973: An atlas of Pacific Island rainfall. Hawaii Institute of Geophysics.

La dependencia de la densidad con la salinidad y la temperatura explican el acoplamiento entre la circulación superficial y la abisal (profunda). El agua superficial que viaja hacia el Norte en el Atlántico Norte pasa a través de las zonas de alta presión subtropicales y experimenta un incremento de la densidad debido a la evaporación. Conforme continua hacia el Norte, las aguas superficiales se enfrían y se incrementa de nuevo su densidad. Por ultimo, este proceso continuo del incremento en la densidad provoca un hundimiento masivo al norte de Islandia. La región de hundimiento en el Hemisferio Sur se explica por la misma razón, debido a que las aguas cálidas del Pacifico Tropical experimentan evaporación y enfriamiento previo a su arribo cuando llegan al Mar de Weddell (al sudeste de la parte mas austral de Sur America).

La imagen adjunta muestra el efecto del perfil vertical de temperatura sobre la mezcla a diferentes latitudes. En los trópicos (gráfico izquierdo), el agua superficial es muy caliente y esta sobre aguas muy frías a profundidades bajo los 200m que inhibe la mezcla. En las regiones polares por el contrario, el agua que se enfría en la superficie se mezcla con las capas mas profundas y mas saladas y se hunden para pasar a ser parte de la circulación horizontal abisal. Volveremos a hablar de este movimiento de agua profunda cuando discutamos el aumento del nivel del mar en el bloque 2.

Profundidad vs. temperatura in los trópicos, latitudes medias y regiones polares

La primera imagen de esta unidad muestra la existencia de corrientes oceánicas fuertes a lo largo de las costas de los continentes. La interacción de estas corrientes costeras con las masas terrestres lleva a una importante caracterización de la temperatura y la actividad biológica en estas regiones. El dibujo adjunto muestra el flujo costero en el Hemisferio Norte con vientos en dirección Norte-Sur paralelo a la costa Oeste de los continentes. Esto baja el nivel del mar significativamente cerca de los continentes la cual es reemplazada por aguas de las capas mas profundas, fenómeno denominado surgencia. La pendiente de la superficie oceánica también establece una fuerza directa hacia el continente. El flujo resultante también se deflecta hacia la derecha (en el Hemisferio Norte) intensificando el flujo costero hacia el Sur a lo largo del continente. El viento del sur en la costa oeste del continente en el Hemisferio Sur tendría el mismo efecto.

Flujo costero en el HN

La surgencia a lo largo de las costas lleva aguas ricas en nutrientes de las capas profundas hacia la zona eufotica y favorece una rica actividad biológica como se mostró anteriormente en la imagen de satélite de los Hemisferios Norte y Sur. Un acercamiento de las costas de California muestra la abundancia de fitoplancton en las costas del Norte de California.

Aguas ricas en nutrientes.

Zona eufotica.

HN

HS

Norte de California

Los datos meteorológicos y oceanográficos de zonas remotas en el océano se hacen por medio de boyas tales como las del sistema Atlas. Durante el experimento de los Océanos Tropicales y la Atmósfera Global (TOGA por sus siglas en Ingles) se experimento y desarrollo una red de este tipo de boyas. La distribución del Pacifico actualmente suministra mediciones en tiempo real de las temperaturas a nivel del mar. Esto será de gran interés cuando discutamos El Niño. Una gran variedad de datos superficiales y subsuperficiales se pueden acceder en linea. Los datos de los barcos de investigación oceánica de la distribución TOA también de pueden obtener en tiempo real.

Sistema Atlas

Sistema TOGA

Distribución Pacifica

Traducido por Eric Alfaro