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Estratificación oceánica

La estratificación oceánica es la separación natural del agua de un océano en capas horizontales según su densidad . Generalmente, se trata de una estratificación estable , ya q...

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La estratificación oceánica es la separación natural del agua de un océano en capas horizontales según su densidad . Generalmente, se trata de una estratificación estable , ya que el agua caliente flota sobre el agua fría, y el calentamiento proviene principalmente del sol, lo que refuerza esta disposición. La mezcla mecánica inducida por el viento reduce la estratificación, pero la convección la refuerza (el agua caliente asciende y el agua fría desciende). La estratificación se produce en todas las cuencas oceánicas y también en otros cuerpos de agua . Las capas estratificadas constituyen una barrera para la mezcla del agua, lo que afecta el intercambio de calor, carbono, oxígeno y otros nutrientes. [ 1 ] La capa superficial mixta es la capa más alta del océano y se mezcla bien mediante efectos mecánicos (viento) y térmicos (convección). El cambio climático está provocando un aumento de la estratificación de la capa superior del océano. [ 1 ]

Debido a la surgencia y la subsidencia , ambas impulsadas por el viento, la mezcla de diferentes capas puede ocurrir mediante el ascenso de agua fría rica en nutrientes y el hundimiento de agua cálida, respectivamente. Generalmente, las capas se basan en la densidad del agua : el agua más pesada y, por lo tanto, más densa, se encuentra debajo del agua más ligera, lo que representa una estratificación estable . Por ejemplo, la picnoclina es la capa oceánica donde el cambio de densidad es mayor en comparación con otras capas. El espesor de la termoclina no es constante en todas partes y depende de diversas variables.

Entre 1960 y 2018, la estratificación de la capa superior del océano aumentó entre un 0,7 y un 1,2 % por década debido al cambio climático. [ 1 ] Esto significa que las diferencias en la densidad de las capas en los océanos aumentan, lo que lleva a mayores barreras de mezcla y otros efectos. En las últimas décadas, la estratificación en todas las cuencas oceánicas ha aumentado debido a los efectos del cambio climático en los océanos . La estratificación global de la capa superior del océano continuó su tendencia creciente en 2022. [ 2 ] Los océanos del sur (al sur de 30°S) experimentaron la tasa de estratificación más alta desde 1960, seguidos por el Pacífico, el Atlántico y el Índico. [ 1 ] El aumento de la estratificación se ve afectado principalmente por los cambios en la temperatura del océano ; la salinidad solo juega un papel localmente. [ 1 ]

Densidad del agua en los océanos

La densidad del agua en el océano, que se define como masa por unidad de volumen, tiene una dependencia compleja de la temperatura (T{\displaystyle T}), salinidad (S{\displaystyle S}) y presión (pag{\displaystyle p}), que a su vez es una función de la densidad y la profundidad del agua suprayacente, y se denota comoρ(S,T,pag){\displaystyle \rho (S,T,p)}La dependencia de la presión no es significativa, ya que el agua de mar es casi perfectamente incompresible. [ 3 ] Un cambio en la temperatura del agua impacta directamente en la distancia entre parcelas de agua. Cuando la temperatura del agua aumenta, la distancia entre parcelas de agua aumentará y, por lo tanto, la densidad disminuirá. La salinidad es una medida de la masa de sólidos disueltos, que consisten principalmente en sal. Aumentar la salinidad aumentará la densidad. Así como la picnoclina define la capa con un cambio rápido en la densidad, se pueden definir capas similares para un cambio rápido en la temperatura y la salinidad: la termoclina y la haloclina . Dado que la densidad depende tanto de la temperatura como de la salinidad, las picno-, termo- y haloclinas tienen formas similares. La diferencia es que la densidad aumenta con la profundidad, mientras que la salinidad y la temperatura disminuyen con la profundidad.

La haloclina, la termoclina y la picnoclina en 10E, 30S. Para esta imagen se han utilizado las medias anuales del año 2000 de los datos GODAS [ 4 ] .

En el océano, se da un rango específico de temperatura y salinidad. Utilizando los datos de GODAS, [ 4 ] un gráfico de temperatura-salinidad puede mostrar las posibilidades y ocurrencias de las diferentes combinaciones de salinidad y temperatura potencial .

La densidad del agua del océano se describe mediante la fórmula de la UNESCO como: [ 5 ]ρ=ρ(S,T,0)1−pagK(S,T,pag).{\displaystyle \rho ={\frac {\rho (S,T,0)}{1-{\frac {p}{K(S,T,p)}}}}.}Los términos de esta fórmula, densidad cuando la presión es cero,ρ(S,T,0){\displaystyle \rho (S,T,0)}y un término que implica la compresibilidad del agua,K(S,T,pag){\displaystyle K(S,T,p)}, ambos dependen en gran medida de la temperatura y en menor medida de la salinidad:ρ(S,T,0)=ρSMETROOW+B1S+do1S1.5+d0S2,K(S,T,pag)=K(S,T,0)+A1pag+B2pag2,{\displaystyle {\begin{aligned}\rho (S,T,0)=\rho _{SMOW}+B_{1}S+C_{1}S^{1.5}+d_{0}S^{2},&\qquad K(S,T,p)=K(S,T,0)+A_{1}p+B_{2}p^{2},\end{aligned}}}

La temperatura superficial, la salinidad superficial y la densidad potencial superficial se calcularon y graficaron utilizando la media anual del año 2000 de los datos GODAS. [ 4 ]

con:ρSMETROOW=a0+a1T+a2T2+a3T3+a4T4+a5T5,B1=b0+b1T+b2T2+b3T3+b4T4,do1=do0+do1T+do2T2,{\displaystyle {\begin{aligned}{}&\rho _{SMOW}=a_{0}+a_{1}T+a_{2}T^{2}+a_{3}T^{3}+a_{4}T^{4}+a_{5}T^{5},\\{}&B_{1}=b_{0}+b_{1}T+b_{2}T^{2}+b_{3}T^{3}+b_{4}T^{4},\\{}&C_{1}=c_{0}+c_{1}T+c_{2}T^{2},\\\end{aligned}}}yK(S,T,0)=Kw+F1S+GRAMO1S1.5,Kw=mi0+mi1T+mi2T2+mi3T3+mi4T4,F1=F0+F1T+F1T+F2T2+F3T3,GRAMO1=gramo0+gramo1T+gramo2T2,A1=Aw+(i0+i1T+i2T2)S+j0S1.5,Aw=h0+h1T+h2T2+h3T3,B2=Bw+(metro0+metro1T+metro2T2)S),Bw=k0+k1T+k2T2.{\displaystyle {\begin{aligned}{}&K(S,T,0)=K_{w}+F_{1}S+G_{1}S^{1.5},\\{}&K_{w}=e_{0}+e_{1}T+e_{2}T^{2}+e_{3}T^{3}+e^{4}T^{4},\\{}&F_{1}=f_{0}+f_{1}T+f_{1}T+f_{2}T^{2}+f_{3}T^{3},\\{}&G_{1}=g_{0}+g_{1}T+g_{2}T^{2} ,\\{}&A_{1}=A_{w}+(i_{0}+i_{1}T+i_{2}T^{2})S+j_{0}S^{1.5},\\{}&A_{w}=h_{0}+h_{1}T+h_{2}T^{2}+h_{3}T^{3},\\{}&B_{2}=B_{w}+(m_{0}+m_{1}T+m_{2}T^{2})S),\\{}&B_{w}=k_{0}+k_{1}T+k_{2}T^{2}.\end{aligned}}}En estas fórmulas, todas las letras minúsculas,ai,bi,doi,d0,mii,Fi,gramoi,ii,j0,hi,metroi{\displaystyle a_{i},b_{i},c_{i},d_{0},e_{i},f_{i},g_{i},i_{i},j_{0},h_{i},m_{i}}yki{\textstyle k_{i}}son constantes que se definen en el Apéndice A de un libro sobre Ondas de Gravedad Internas, publicado en 2015. [ 5 ]

La densidad depende más de la temperatura que de la salinidad, como se puede deducir de la fórmula exacta y se puede mostrar en gráficos usando los datos de GODAS. [ 4 ] En los gráficos sobre temperatura superficial, salinidad y densidad, se puede ver que las ubicaciones con el agua más fría, en los polos, son también las ubicaciones con las densidades más altas. Las regiones con la salinidad más alta, por otro lado, no son las regiones con la densidad más alta, lo que significa que la temperatura contribuye principalmente a la densidad en los océanos. Un ejemplo específico es el Mar Arábigo .

Cuantificación

La estratificación oceánica se puede definir y cuantificar mediante el cambio de densidad con la profundidad. La frecuencia de flotabilidad , también llamada frecuencia de Brunt-Väisälä , se puede utilizar como representación directa de la estratificación en combinación con observaciones de temperatura y salinidad .

La frecuencia de flotabilidad,norte{\displaystyle N}, representa la frecuencia intrínseca de las ondas de gravedad internas. [ 1 ] Esto significa que el agua que se desplaza verticalmente tiende a rebotar hacia arriba y hacia abajo con esa frecuencia.

La frecuencia de flotabilidad se define de la siguiente manera:norte2=−gramoρ0∂ρ∂z.{\displaystyle N^{2}={\frac {-g}{\rho _{0}}}{\frac {\partial \rho }{\partial z}}.}Aquí,gramo{\displaystyle g}es la constante gravitacional ,ρ0{\displaystyle \rho _{0}}es una densidad de referencia yρ{\displaystyle \rho }es la densidad potencial que depende de la temperatura y la salinidad como se mencionó anteriormente. Se considera que el agua tiene una estratificación estable para∂ρ/∂z<0{\displaystyle \partial \rho /\partial z<0}, lo que lleva a un valor real denorte{\displaystyle N}El océano suele ser estable y el correspondientenorte{\displaystyle N}-los valores en el océano se encuentran entre aproximadamente10−4{\displaystyle 10^{-4}}en el océano abisal y10−3{\displaystyle 10^{-3}}en las partes superiores del océano. El período de flotabilidad se define como1/norte{\displaystyle 1/N}. Correspondiente a los valores anteriores, este período suele tomar valores entre aproximadamente 10 y 100 minutos. [ 6 ] En algunas partes del océano aparece una estratificación inestable, lo que provoca convección .

Si la estratificación en una columna de agua aumenta, implica un aumento del valor norte2{\displaystyle N^{2}}, la mezcla turbulenta y, por lo tanto, la viscosidad de remolino disminuirá. [ 7 ] Además, un aumento denorte2{\displaystyle N^{2}}, implica un aumento de |∂ρ/∂z|{\displaystyle |\partial \rho /\partial z|}Esto significa que la diferencia de densidades en esta columna de agua también aumenta. A lo largo del año, la estratificación oceánica no es constante, ya que depende de la densidad y, por lo tanto, de la temperatura y la salinidad. Las fluctuaciones interanuales en la estratificación del océano Pacífico tropical están dominadas por El Niño , que puede vincularse con las fuertes variaciones en la profundidad de la termoclina en el Pacífico ecuatorial oriental. [ 1 ]

Además, las tormentas tropicales son sensibles a las condiciones de estratificación y, por lo tanto, a su cambio. [ 8 ] Por otro lado, la mezcla producida por las tormentas tropicales también tiende a reducir las diferencias de estratificación entre las capas.

Observaciones sobre la creciente estratificación

Los cambios de temperatura y salinidad debidos al calentamiento global y al cambio climático alteran la densidad del océano y provocan cambios en la estratificación vertical. [ 2 ] La configuración estratificada del océano puede actuar como una barrera para la mezcla del agua, lo que afecta la eficiencia de los intercambios verticales de calor, carbono, oxígeno y otros componentes. Por lo tanto, la estratificación es un elemento central del sistema climático de la Tierra . La estratificación global de la capa superior del océano continuó su tendencia creciente en 2022 y se situó entre las siete más altas registradas. [ 2 ]

En las últimas décadas, la estratificación en todas las cuencas oceánicas ha aumentado. Además, los océanos australes (al sur de los 30°S) experimentaron la mayor tasa de estratificación desde 1960, seguidos por el océano Pacífico, el océano Atlántico y el océano Índico. [ 1 ] Cuando la superficie del océano se estratifica más, la capa mixta de agua superficial con temperatura homogénea puede volverse menos profunda, pero los cambios proyectados en la profundidad de la capa mixta para finales del siglo XXI siguen siendo objeto de debate. [ 9 ] Las regiones con las capas mixtas actualmente más profundas están asociadas con el mayor descenso de la capa mixta, particularmente la cuenca del Atlántico Norte y del Océano Austral. [ 9 ]

Al observar los datos GODAS [ 4 ] proporcionados por NOAA/OAR/ESRL PSL, se pueden encontrar las frecuencias de flotabilidad desde enero de 1980 hasta marzo de 2021 inclusive. Dado que un cambio en la estratificación es visible principalmente en los primeros 500 metros del océano, se necesitan datos muy específicos para visualizarlo en un gráfico. Los gráficos resultantes de los datos GODAS podrían indicar también una disminución en la estratificación al observar las diferencias de estratificación entre los años 1980, 2000 y 2020. Es posible observar que el cambio en la estratificación es, de hecho, mayor en los primeros 500 metros del océano. A partir de aproximadamente 1000 metros de profundidad, la estratificación converge hacia un valor estable y el cambio en la estratificación se vuelve prácticamente inexistente.

En muchos artículos científicos, revistas y blogs, se afirma que la estratificación ha aumentado en todas las cuencas oceánicas (por ejemplo, en Ecomagazine.com [ 10 ] y NCAR & UCAR News [ 11 ] ). En la figura siguiente, se han trazado las tendencias del cambio en la estratificación en todas las cuencas oceánicas. [ 1 ] Estos datos muestran que a lo largo de los años la estratificación ha aumentado drásticamente. Los cambios en la estratificación son mayores en el Océano Austral, seguido del Océano Pacífico. En el Océano Pacífico, se ha encontrado que el aumento de la estratificación en el ecuador oriental es mayor que en el ecuador occidental. [ 1 ] Esto probablemente esté relacionado con el debilitamiento de los vientos alisios y la reducción del afloramiento en el Pacífico oriental, lo que puede explicarse por el debilitamiento de la circulación de Walker . [ 1 ]

Esta figura muestra el cambio global en la estratificación.norte2{\displaystyle N^{2}}desde el año 1960 hasta 2018 de 0 a 2000 metros. [ 1 ] (a) Global, (b) Océano Pacífico, (c) Océano Atlántico, (d) Océano Índico y (e) Océanos Australes. Las líneas grises delgadas indican las variaciones interanuales. El pequeño gráfico en (a) muestra las tasas denorte2{\displaystyle N^{2}}Para el caso global y para las cuencas. Esto se calcula mediante diferencias centradas de las series temporales suavizadas (Glb: Global, Pac: Pacífico, Atl: Atlántico, So: Sur, Ind: Índico). Las tendencias se han representado gráficamente para diversos conjuntos de datos, indicados por las distintas líneas.

Causas y consecuencias

Temperatura y mezcla

El cambio de temperatura domina la creciente estratificación, mientras que la salinidad solo juega un papel localmente. [ 1 ] El océano tiene una extraordinaria capacidad de almacenar y transportar grandes cantidades de calor, carbono y agua dulce. [ 12 ] Aunque aproximadamente el 70% de la superficie de la Tierra está compuesta de agua, más del 75% del intercambio de agua entre la superficie de la Tierra y la atmósfera ocurre sobre los océanos. El océano absorbe parte de la energía de la luz solar en forma de calor y es absorbida inicialmente por la superficie. [ 13 ] Eventualmente, parte de este calor también se extiende a aguas más profundas. Los gases de efecto invernadero absorben energía adicional del sol, que nuevamente es absorbida por los océanos, lo que lleva a un aumento en la cantidad de calor almacenado por los océanos . El aumento de la temperatura de los océanos es bastante lento, en comparación con la atmósfera.

Sin embargo, la absorción de calor del océano se ha duplicado desde 1993 y los océanos han absorbido más del 90 % del calor adicional de la Tierra desde 1955. [ 13 ] La temperatura en el océano, hasta aproximadamente 700 metros de profundidad, ha estado aumentando en casi todo el mundo. [ 12 ] El aumento del calentamiento en la superficie del océano reduce la densidad de los primeros ≈500 m de agua, mientras que las aguas más profundas no experimentan tanto calentamiento ni una disminución tan grande de la densidad. Por lo tanto, la estratificación en las capas superiores cambiará más que en las capas inferiores, y estos gradientes verticales de densidad cada vez más fuertes actúan como barreras que limitan la mezcla entre las capas superiores y las aguas profundas.

Hay evidencia limitada de que las diferencias estacionales en la estratificación se hayan incrementado con los años. [ 9 ]

Salinidad

La salinidad está asociada con la diferencia entre evaporación y precipitación . [ 1 ] Las corrientes oceánicas son importantes para mover aguas dulces y saladas y para mantener un equilibrio.

La evaporación provoca que el agua se vuelva más salina y, por lo tanto, más densa. La precipitación tiene el efecto contrario, ya que disminuye la densidad del agua superficial. Por consiguiente, se puede afirmar que la salinidad desempeña un papel más localizado en el aumento de la estratificación, aunque su influencia sea menor en comparación con la de la temperatura. Por ejemplo, la salinidad desempeña un papel importante en el giro subtropical, el Pacífico Norte (Oriental), el Atlántico Norte y las regiones árticas. [ 1 ] [ 14 ]

En el Ártico, la disminución de la salinidad y, por consiguiente, de la densidad, se explica por el aporte de agua dulce proveniente del deshielo de glaciares y capas de hielo. Este proceso y el aumento de la estratificación en el Ártico continuarán con las emisiones de carbono actuales. [ 1 ]

Desoxigenación

Una disminución del oxígeno disuelto, y por ende del suministro de oxígeno al interior del océano, es un efecto probable del aumento de la estratificación en la superficie oceánica. [ 15 ] Dado que el oxígeno desempeña un papel directo e importante en los ciclos del carbono, el nitrógeno y muchos otros elementos como el fósforo, el hierro y el magnesio, la desoxigenación tendrá grandes consecuencias. Desempeña un papel vital para muchos organismos y la variedad de animales marinos de todo tipo.

La desoxigenación en las aguas subsuperficiales se debe a la disminución de la mezcla oceánica, causada por el aumento de la estratificación en la superficie oceánica. [ 1 ] Para ilustrarlo, en el período entre 1970 y 1990, aproximadamente el 15% de la desoxigenación puede explicarse por un aumento de la temperatura y el resto por la reducción del transporte debido a la estratificación. [ 12 ] En el período entre 1967 y 2000, la disminución de la concentración de oxígeno en las aguas someras, entre 0 y 300 metros, fue 10 veces más rápida en el océano costero que en el océano abierto. [ 12 ] Esto ha llevado a un aumento de las zonas hipóxicas , lo que puede provocar un cambio en el comportamiento de la flora y fauna acuáticas. El aumento de la estratificación en la superficie oceánica durante la segunda mitad del siglo XXI puede llevar a un desacoplamiento entre la superficie y las profundidades oceánicas. [ 14 ] Este desacoplamiento también puede causar desoxigenación en las profundidades del océano, ya que el desacoplamiento hace que sea menos probable que el oxígeno llegue a las profundidades del océano.

Sin embargo, la variación en la concentración de oxígeno también puede verse influenciada por cambios en la circulación y los vientos. Y aunque el oxígeno ha disminuido en muchas zonas de los océanos, también puede aumentar localmente debido a diversos factores. Por ejemplo, entre 1990 y 2000, el oxígeno en la termoclina del océano Índico y del Pacífico Sur aumentó. [ 12 ]

Biología

El aumento de la estratificación afecta la vida en los océanos. En algunos casos, la capa superficial cálida expandida favorece la vida que se desplaza a mayores profundidades, [ 16 ] mientras que en otros, las diferentes densidades de las aguas estratificadas actúan para separar las especies entre sí. [ 17 ] La ​​estratificación del agua limita la distribución de los nutrientes necesarios para la vida, lo que provoca que las regiones oligotróficas se extiendan a medida que se fortalece la termoclina superficial . [ 18 ] En muchas aguas ya estratificadas, como los giros subtropicales o las aguas ecuatoriales, las tormentas invernales degradan la estratificación e introducen nutrientes muy necesarios del océano profundo. [ 19 ] En un océano que se calienta, la energía necesaria para romper la picnoclina será mayor, lo que requerirá eventos de mezcla más intensos para tener el mismo efecto. De manera similar, donde el agua más fría asciende desde corrientes profundas, en un océano con mayor estratificación este afloramiento también requerirá más energía y los nutrientes tendrán limitaciones para llegar a la superficie en algunos lugares. [ 20 ]

Es probable que la bomba microbiana desempeñe un papel más importante en el ciclo de nutrientes en el océano superficial estratificado, con menor actividad biológica para transportar carbono orgánico disuelto a las profundidades oceánicas. [ 18 ] A medida que aumenta la estratificación del agua, disminuye la cantidad de oxígeno disuelto disponible para los organismos más alejados de la superficie. [ 21 ] Esto se debe en parte a una menor mezcla y en parte a que el agua más cálida retiene menos oxígeno. [ 21 ]

Profundidad de la capa mixta (MLD)

La capa mixta superficial es la capa más elevada del océano y se mezcla bien por efectos mecánicos (viento) y térmicos ( convección ). La turbulencia en esta capa se produce a través de procesos superficiales, como la agitación del viento, los flujos de calor superficiales y la evaporación. La capa mixta es inherentemente la capa más conectada con la atmósfera y afecta y se ve afectada por todos los sistemas meteorológicos, especialmente aquellos con vientos fuertes como los huracanes. [ 22 ] El calor almacenado en la capa mixta en el Pacífico occidental tropical juega un papel vital en el desarrollo de El Niño.

La profundidad de la capa mixta está asociada con sistemas físicos, químicos y biológicos, y es una de las cantidades más importantes en la superficie del océano. [ 22 ] A lo largo del año, la profundidad de la capa mixta varía. El espesor de la capa aumenta en invierno y disminuye en verano. Si la capa mixta es muy profunda, llega menos luz al fitoplancton . Se ha demostrado que el fitoplancton es importante en el ciclo global del carbono. [ 23 ] Además, dado que el fitoplancton se encuentra en la base de la cadena alimentaria, una disminución del fitoplancton puede tener consecuencias a gran escala.

Aún no se ha determinado una relación exacta entre un aumento en la estratificación y un cambio en la profundidad de la capa mixta, y sigue siendo incierta. Aunque algunos estudios sugieren que una capa mixta más delgada debería acompañar a una capa superior del océano más estratificada, [ 24 ] [ 25 ] [ 26 ] otros trabajos informan de una profundización estacional de la capa mixta desde 1970. [ 27 ] Existe literatura que sustenta la afirmación de que en los años de 1970 a 2018, la estratificación en la base de la capa mixta, así como la profundidad de la capa mixta, han aumentado. Contradiciendo este resultado, otra literatura afirma una disminución de la profundidad de la capa mixta en parte como resultado del aumento de la estratificación de la capa superior del océano. [ 28 ] Se ha encontrado que la capa mixta en la extensión de la Corriente de Kuroshio , en el lado occidental del Pacífico Norte, ha disminuido más de 30 metros. Este descenso se debe al debilitamiento del viento y a una reducción de la mezcla vertical estacional. Además, existen investigaciones que indican que el calentamiento de la superficie del océano, y por lo tanto un aumento de la estratificación, no implica necesariamente un aumento ni una disminución de la profundidad de la capa mixta. [ 29 ] Utilizando los datos de GODAS [ 4 ] se puede observar que la profundidad de la capa mixta ha aumentado y disminuido con el tiempo.

Entre 1970 y 2018, la profundidad de la capa mixta (MLD) en verano aumentó un 2,9 ± 0,5 % por década (o de 5 a 10 m por década, según la región), y el Océano Austral experimentó el mayor aumento. [ 27 ] [ 29 ] Sin embargo, hay evidencia observacional limitada de que la capa mixta se esté profundizando globalmente, y solo bajo fuertes escenarios de emisiones de gases de efecto invernadero las profundidades globales de la capa mixta disminuyen en el siglo XXI. [ 9 ] Aunque es prácticamente seguro que la estratificación de la capa superior del océano aumentará a lo largo del siglo XXI, los científicos expresan poca confianza en cómo evolucionará la profundidad de la capa mixta. [ 9 ]

Véase también

Referencias

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