Eddy bombeando

El bombeo de remolinos es un componente del movimiento vertical inducido por remolinos a mesoescala en el océano . Es un mecanismo físico mediante el cual se crea movimiento vertical a partir de variaciones en la fuerza de rotación de un remolino. Los remolinos ciclónicos generan principalmente surgencia , mientras que los remolinos anticiclónicos generan principalmente hundimiento . Es un mecanismo clave que impulsa procesos biológicos y biogeoquímicos en el océano, como las floraciones de algas y el ciclo del carbono .

Los remolinos tienen un efecto de reestratificación , lo que significa que tienden a organizar el agua en capas de diferente densidad. Estas capas están separadas por superficies llamadas isopicnas . La reestratificación de la capa mixta es más fuerte en regiones con grandes gradientes de densidad horizontales, también conocidos como "frentes", donde la cizalladura geostrófica y la energía potencial proporcionan una fuente de energía a partir de la cual pueden crecer inestabilidades baroclínicas y simétricas. ^{[ 2 ]} Debajo de la capa mixta, una región de cambio rápido de densidad (o picnoclina ) separa el agua superior e inferior, lo que dificulta el transporte vertical.

El bombeo de remolinos es un componente del movimiento vertical inducido por remolinos a mesoescala. Dicho movimiento vertical es causado por la deformación de la picnoclina. Se puede conceptualizar asumiendo que el agua del océano tiene una superficie de densidad con una profundidad media promediada en el tiempo y el espacio. Esta superficie separa el océano superior, correspondiente a la zona eufótica , del océano inferior y profundo . Cuando un remolino transita a través de ella, dicha superficie de densidad se deforma. Dependiendo de las fases de la vida útil de un remolino, esto creará perturbaciones verticales en diferentes direcciones. La vida útil de los remolinos se divide en formación, evolución y destrucción. Las perturbaciones de bombeo de remolinos son de tres tipos:

• Ciclones
• Anticiclones
• remolinos de agua modal

Enfoque centrado en los remolinos

Los remolinos de agua modal presentan una estructura de densidad compleja. Debido a su forma, no se distinguen de los anticiclones regulares en un análisis centrado en el remolino (enfocado en su núcleo) basado en la altura del nivel del mar . No obstante, el movimiento vertical inducido por el bombeo de remolinos en la zona eufótica de estos remolinos es comparable al de los ciclones. Por estas razones, solo se explican los mecanismos ciclónicos y anticiclónicos de las perturbaciones por bombeo de remolinos.

Explicación conceptual basada en el nivel de la superficie del mar.

Una descripción intuitiva de este mecanismo es lo que se define como análisis centrado en remolinos basado en el nivel de la superficie del mar. ^{[ 3 ]} En el hemisferio norte, la rotación en sentido antihorario en los remolinos ciclónicos crea una divergencia de las corrientes superficiales horizontales debido al efecto Coriolis , lo que produce una superficie de agua más húmeda. Para compensar la inhomogeneidad de la elevación de la superficie, las superficies isopicnas se elevan hacia la zona eufótica y puede producirse la incorporación de aguas profundas del océano, ricas en nutrientes. ^{[ 4 ]}

Explicación física

Conceptualmente, el bombeo de remolinos asocia el movimiento vertical en el interior de los remolinos con cambios temporales en la vorticidad relativa del remolino. ^{[ 3 ]} El movimiento vertical creado por el cambio en la vorticidad se entiende a partir de las características del agua contenida en el núcleo del remolino. Los remolinos ciclónicos giran en sentido antihorario (horario) en el hemisferio norte (sur) y tienen un núcleo frío. Los remolinos anticiclónicos giran en sentido horario (antihorario) en el hemisferio norte (sur) y tienen un núcleo cálido. La diferencia de temperatura y salinidad entre el núcleo del remolino y las aguas circundantes es el elemento clave que impulsa el movimiento vertical. Mientras se propagan en dirección horizontal, los ciclones y anticiclones “curvan” la picnoclina hacia arriba y hacia abajo, respectivamente, inducidos por esta discrepancia de temperatura y salinidad. La magnitud de la perturbación vertical de la superficie de densidad dentro del remolino (en comparación con la superficie de densidad media del océano) está determinada por los cambios en la fuerza de rotación (vorticidad relativa) del remolino. ^{[ 5 ]}

Ignorando la advección horizontal en la ecuación de conservación de la densidad , los cambios de densidad debidos a cambios en la vorticidad pueden relacionarse directamente con el transporte vertical. Esta suposición es coherente con la idea de que el movimiento vertical ocurre en el centro del vórtice, en correspondencia con variaciones de un flujo perfectamente circular. ^{[ 6 ]}

${\displaystyle 0={\partial \rho \over \partial t}+\nabla \cdot (\rho {\textbf {u}})\longrightarrow {\partial \rho \over \partial t}=-{\partial \over \partial \!z}\rho w}$

Mediante este mecanismo, el bombeo turbulento genera el afloramiento de aguas profundas frías y ricas en nutrientes en los remolinos ciclónicos y el hundimiento de aguas superficiales cálidas y pobres en nutrientes en los remolinos anticiclónicos.

Dependencia de la fase de la vida

Los remolinos se debilitan con el tiempo debido a la disipación de energía cinética . A medida que los remolinos se forman e intensifican, los mecanismos mencionados anteriormente se fortalecen y, como un aumento en la vorticidad relativa genera perturbaciones en las superficies isopicnales, la picnoclina se deforma. Por otro lado, cuando los remolinos han envejecido y poseen baja energía cinética , su vorticidad disminuye y conduce a su destrucción. Este proceso se opone a la formación e intensificación de remolinos, ya que la picnoclina regresa a su posición original previa a la deformación inducida por el remolino. Esto significa que la picnoclina se eleva en los anticiclones y se comprime en los ciclones, lo que da lugar a surgencias y hundimientos, respectivamente. ^{[ 3 ]}

Hallazgos recientes sugieren que los remolinos de mesoescala probablemente jueguen un papel clave en el transporte de nutrientes, como la distribución espacial de la concentración de clorofila , en el océano abierto. ^{[ 8 ]} Sin embargo, la falta de conocimiento sobre el impacto de la actividad de los remolinos sigue siendo notable, ya que se ha argumentado que la contribución de los remolinos no es suficiente para mantener la producción primaria observada a través del suministro de nitrógeno en partes del giro subtropical . ^{[ 9 ]} Aunque los mecanismos a través de los cuales los remolinos dan forma a los ecosistemas aún no se comprenden completamente, los remolinos transportan nutrientes a través de una combinación de procesos horizontales y verticales. La agitación y el atrapamiento se relacionan con el transporte de nutrientes, mientras que el bombeo de remolinos, el bombeo de Ekman inducido por remolinos y los impactos de los remolinos en la profundidad de la capa mixta varían los nutrientes. ^{[ 3 ]} Aquí, se discute el papel que juega el bombeo de remolinos.

El bombeo ciclónico de remolinos impulsa la producción primaria al elevar aguas ricas en nutrientes hacia la zona eufótica. La utilización completa de los nutrientes que emergen está garantizada por dos factores principales. En primer lugar, la absorción biológica se produce en escalas de tiempo mucho más cortas que la vida media de los remolinos. En segundo lugar, debido a que el enriquecimiento de nutrientes tiene lugar en el interior del remolino, aislado de las aguas circundantes, la biomasa puede acumularse hasta que los nutrientes que emergen se consuman por completo. ^{[ 7 ]}

Ejemplos principales

La evidencia de los impactos biológicos del mecanismo de bombeo de remolinos está presente en varias publicaciones basadas en observaciones y modelos de múltiples ubicaciones en todo el mundo. Se han observado anomalías de clorofila centradas en remolinos en la región de la Corriente del Golfo y frente a la costa oeste de la Columbia Británica ( remolinos de Haida ), así como una producción biológica mejorada inducida por remolinos en la confluencia de Weddell-Scotia en el Océano Austral , en el norte del Golfo de Alaska , en el Mar de China Meridional , en la Bahía de Bengala , en el Mar Arábigo y en el noroeste del Mar de Alborán , por nombrar algunos. ^{[ 7 ]} Las estimaciones del bombeo de remolinos en el Mar de los Sargazos dieron como resultado un flujo entre 0,24 y 0,5 nitrógeno${\displaystyle {\frac {mol}{m^{2}año}}}$. ^{[ 10 ] [ 11 ]} Se ha considerado que estas cantidades son suficientes para mantener una tasa de nueva producción primaria consistente con las estimaciones para esta región.

En una escala ecológica más amplia, las variaciones en la productividad impulsadas por remolinos influyen en la compensación entre la supervivencia de las larvas de fitoplancton y la abundancia de depredadores. Estos conceptos explican parcialmente las variaciones a mesoescala en la distribución de larvas de atún rojo , pez vela , marlín , pez espada y otras especies. Las distribuciones de peces adultos también se han asociado con la presencia de remolinos ciclónicos. En particular, las mayores abundancias de atún rojo y cetáceos en el Golfo de México y de marlín azul en las proximidades de Hawái están vinculadas a la actividad de los remolinos ciclónicos. Estos patrones espaciales se extienden a las aves marinas avistadas en las cercanías de los remolinos, incluyendo fragatas en el Canal de Mozambique y albatros , charranes y pardelas en el Océano Índico Sur . ^{[ 3 ]}

Floración de algas en el Atlántico Norte

El Mar del Norte es una cuenca ideal para la formación de floraciones de algas, tanto primaverales como tropicales , debido a la combinación de abundantes nutrientes e intensos vientos árticos que favorecen la mezcla de las aguas. Estas floraciones son indicadores importantes de la salud de un ecosistema marino.

Se creía que las floraciones de fitoplancton primaverales se iniciaban por el aumento estacional de la luz y la estratificación cerca de la superficie. Observaciones recientes del experimento del Atlántico Norte subpolar ^{[ 13 ]} y modelos biofísicos sugieren que la floración podría ser, en cambio, el resultado de una estratificación inducida por remolinos, que se produce entre 20 y 30 días antes de lo que ocurriría por cambios estacionales. Estos hallazgos revolucionan la comprensión de las floraciones primaverales. Además, se ha demostrado que el bombeo por remolinos y el bombeo de Ekman inducido por remolinos dominan los campos biológicos al final y después de la floración. ^{[ 14 ]}

El fitoplancton absorbe${\displaystyle CO_{2}}$a través de la fotosíntesis. Cuando estos organismos mueren y se hunden hasta el fondo marino, el carbono que absorbieron se almacena en las profundidades oceánicas mediante lo que se conoce como bomba biológica . Investigaciones recientes han estudiado el papel del bombeo de remolinos y, en general, del movimiento vertical en remolinos de mesoescala en el ciclo del carbono. La evidencia ha demostrado que el afloramiento y el hundimiento inducidos por el bombeo de remolinos pueden desempeñar un papel significativo en la forma en que se almacena el carbono en el océano. A pesar de que la investigación en este campo se está desarrollando recientemente, los primeros resultados muestran que los remolinos contribuyen con menos del 5 % de la exportación anual total de fitoplancton al interior del océano. ^{[ 15 ]}

Los remolinos juegan un papel importante en la distribución de microplásticos en la superficie del mar. Debido a su naturaleza convergente, los remolinos anticiclónicos atrapan y transportan microplásticos en la superficie del mar, junto con nutrientes, clorofila y zooplancton. En el giro subtropical del Atlántico Norte, la primera observación directa de las concentraciones de microplásticos en la superficie del mar entre un remolino mesoescala ciclónico y uno anticiclónico ha mostrado una mayor acumulación en este último. ^{[ 16 ]} La acumulación de microplásticos tiene impactos ambientales a través de su interacción con la biota. Las partículas de plástico inicialmente flotantes (entre 0,01 y 1  mm) se sumergen por debajo de la profundidad de la capa de mezcla climatológica principalmente debido a la bioincrustación . En regiones con muy baja productividad, las partículas permanecen dentro de la parte superior de la capa de mezcla y solo pueden hundirse por debajo de ella si ocurre una floración primaveral. ^{[ 17 ]}

• Proliferación de algas : un rápido aumento o acumulación de la población de algas en sistemas de agua dulce o marina.
• Inestabilidad baroclínica : inestabilidad fluidodinámica de importancia fundamental en la atmósfera y el océano.
• Bombeo de Ekman : el bombeo de Ekman es el componente del transporte de Ekman que produce áreas de hundimiento debido a la convergencia del agua.
• Remolinos de Haida : remolinos oceánicos episódicos que giran en el sentido de las agujas del reloj y que se forman durante el invierno frente a la costa oeste de la Columbia Británica.
• Remolinos oceánicos de mesoescala : remolinos en el océano creados por su naturaleza turbulenta.
• Floración primaveral : Fuerte aumento en la abundancia de fitoplancton que suele ocurrir a principios de la primavera.