Pluma de río

Una columna de río es una masa de agua dulce que se forma en el mar como resultado de la mezcla de la descarga del río y el agua salada del mar . ^[1] Las columnas de río se forman en las zonas costeras del mar en muchas regiones del mundo. Las columnas de río generalmente ocupan capas superficiales del mar amplias pero poco profundas limitadas por gradientes de densidad pronunciados . El área de una columna de río es de 3 a 5 órdenes de magnitud mayor que su profundidad; por lo tanto, incluso los ríos pequeños con tasas de descarga de ~1–10 m/s forman columnas de río con extensiones espaciales horizontales de ~10–100 m. Las áreas de columnas de río formadas por los ríos más grandes son de ~100–1000 km ² . A pesar del volumen relativamente pequeño de escorrentía total de agua dulce al océano mundial , las columnas de río ocupan hasta el 21% de las áreas de la plataforma del océano, es decir, varios millones de kilómetros cuadrados. ^[2]

En algunas ocasiones, se habla de las columnas de los ríos como regiones de influencia de agua dulce (ROFIs), aunque se prefiere utilizar este término para las regiones en las que múltiples fuentes se suman a la entrada de agua dulce de la zona o para plataformas de fricción poco profundas . ^[1] Las ROFI y las columnas de los ríos difieren en la variación a escalas temporales y espaciales. La columna de río se puede identificar como una masa de agua flotante que emerge debido a la descarga del río en el océano costero y varía en escalas de tiempo diurnas a sinópticas . ^[3] En los bordes de esta masa de agua se produce una mezcla, creando una región adyacente a la columna de río que está diluida y es más dulce en comparación con el océano abierto, pero no tiene un límite claro. Esta región extendida se llama región de influencia de agua dulce, ROFI . ^[3] Debido a la influencia indirecta de la descarga de agua dulce , las ROFI incorporan la dinámica y la extensión espacial de las columnas de los ríos, pero normalmente se evalúan en escalas de tiempo estacionales, anuales y decenales. ^[3]

Las columnas de los ríos desempeñan un papel importante en las interacciones entre la tierra y el océano a nivel global y regional. Las descargas de los ríos proporcionan grandes flujos de flotabilidad , calor , sedimentos terrígenos , nutrientes y contaminantes antropogénicos al océano . Las columnas de los ríos influyen fuertemente en muchos procesos físicos , biológicos y geoquímicos en las áreas costeras y de plataforma marina, incluyendo la estratificación del agua de mar , las corrientes costeras , los ciclos de carbono y biogeoquímicos , la producción primaria y la morfología del fondo marino . ^[1]

Una columna de río es un sistema dinámico influenciado por procesos con un amplio rango de escalas temporales y espaciales, que dependen del tamaño y forma del estuario así como del tipo y variación de la fuerza del estuario y del océano . Los mecanismos de retroalimentación entre los sedimentos depositados por la columna en el delta submarino y la geometría del delta conforman un sistema complejo. Debido a esta complejidad no existe (aún) una teoría general y simple que ofrezca predictibilidad cuantitativa para el movimiento de partículas y la estructura de las columnas de río; ^[1] sin embargo, algunas teorías que incorporan supuestos simplificados han ayudado a comprender los aspectos importantes de los flujos costeros influenciados por la flotabilidad . ^[4] Como se usa comúnmente en dinámica de fluidos , la descripción de estos flujos complejos se ve facilitada por el análisis de escala para determinar los procesos relevantes. Los parámetros primarios que definen la estructura y escala de una columna de río individual son la descarga de agua dulce , la energía de las mareas , la batimetría/geometría de la línea costera , las corrientes oceánicas ambientales , el viento y la rotación de la Tierra . ^[1]

El equilibrio entre los procesos importantes varía según la posición en la columna. Se pueden distinguir las siguientes regiones: la región de la fuente, el punto de despegue, el frente y la región de campo cercano. Más allá de la columna misma, pero dentro de su área de influencia, se encuentran la región de campo medio y la región de campo lejano. ^[1]

En la región de origen o estuarina, la flotabilidad y el impulso del flujo de agua dulce proveniente del estuario son las propiedades dominantes que determinan el inicio de la columna fluvial. La competencia entre la estratificación inducida por el río y la mezcla de mareas establece las propiedades características de la columna fluvial. Esta competencia se puede capturar en el número de Richardson estuarino (adimensional) , que se define como ^[5]

${\displaystyle Ri_{E}=g_{r}'{\frac {Q_{r}}{W_{E}u_{marea}^{3}}},}$

dónde

• La gravedad reducida es la aceleración gravitacional debida a la diferencia de densidad entre el agua dulce del río y el agua salada del océano .${\displaystyle g'_{r}=g(\Delta \rho /\rho _{0})}$
• $Estilo de visualización Q_{r}$¿Cuál es la descarga del río ?
• ${\displaystyle W_{E}}$es el ancho del estuario , y
• ${\displaystyle u_{marea}}$es la velocidad de la marea.

dónde

• ${\displaystyle g'_{r}=g(\Delta \rho /\rho _{0})}$es la aceleración gravitacional debido a la diferencia de densidad entre el agua dulce del río y el agua salada del océano ,
• $Estilo de visualización Q_{r}$¿Cuál es la descarga del río ?
• ${\displaystyle W_{E}}$es el ancho del estuario , y
• ${\displaystyle u_{marea}}$es la velocidad de la marea.

Un número de Richardson estuarino grande (es decir, ) indica que los procesos de agua dulce son dominantes en comparación con la influencia de las mareas , y se puede esperar el desarrollo de una columna de río. ^[1]${\displaystyle Ri_{E}\gg 1}$

En caso de una fuerte fuerza fluvial, a menudo con un gran número de Richardson estuarino , el frente de la columna se separa del fondo . La posición en la que se produce esta separación del flujo se denomina punto de despegue y establece el borde terrestre del campo cercano. Este punto es importante en las columnas fluviales con advección superficial. ^{[6] [7]}

En el campo cercano, el momento de la columna es mayor que su flotabilidad . Este equilibrio se representa en el número de Froude (adimensional) y es mayor que uno en el campo cercano, lo que indica un flujo supercrítico . Tanto el punto de despegue como el límite exterior del campo cercano, el frente de la columna, se caracterizan por condiciones de flujo críticas ( ) y el flujo en la región del campo cercano muestra características similares a un chorro. ^[8] El equilibrio del momento está dominado por gradientes de presión barotrópica y baroclínico , tensiones de corte turbulentas y aceleración del flujo. La desaceleración del flujo es causada principalmente por las tensiones de corte en la interfaz de la columna con el océano ambiente . En algunos casos, no existirá una región de campo cercano. Este es, por ejemplo, el caso si el ancho de la desembocadura del río es grande en relación con el radio de deformación de Rossby , , y la entrada de agua dulce saldrá de la desembocadura del río como una columna de campo lejano. Cuando las mareas son grandes, la columna de campo cercano también se conoce como columna de marea. ^[9]${\displaystyle Fr={u}/{\sqrt {gh}},}$${\displaystyle Fr=1}$ ${\displaystyle L_{R}={\sqrt {gh}}/{f}}$

El área en la que el chorro inercial de campo cercano se transfiere a un flujo en el que predominan los procesos geostróficos o impulsados ​​por el viento es el área del campo medio. El equilibrio de momento del campo medio está dominado por la rotación de la Tierra ( efecto Coriolis ), los gradientes de presión interna transversales a la corriente y, a veces, la aceleración centrípeta . El momento inicial del flujo de salida de la fuente se pierde y la fuerza del viento (o la rotación de la Tierra en caso de una pequeña fuerza del viento ) se convierte gradualmente en el parámetro más importante. Como resultado, el flujo cambia su velocidad, dirección y patrón de propagación. Cuando la influencia de la fuerza del viento es pequeña, los flujos de salida a veces pueden formar un bulto recirculante; ^{[1] [6]} sin embargo, la evidencia de tal característica en las observaciones de campo es escasa. ^[10]

Aún más lejos de la región de origen se encuentra el campo lejano, donde la columna ha perdido toda memoria del momento de salida. El equilibrio del momento del campo lejano está dominado por la rotación de la Tierra ( efecto Coriolis ), la flotabilidad , la fuerza del viento y la tensión del fondo. El campo lejano puede cubrir grandes áreas, hasta cientos de kilómetros desde su fuente. La variabilidad diurna y semidiurna de la región del campo lejano generalmente está gobernada por las mareas , la variabilidad sinóptica por la fuerza del viento y la variabilidad estacional por la descarga del río. En ausencia de una fuerte fuerza del viento y fuertes corrientes, la columna del campo lejano puede comportarse como una corriente de agua relativamente dulce en la dirección de una onda Kelvin que se propaga . Se pueden observar ejemplos de esto en el ROFI del Rin , donde la columna del río se puede rastrear a lo largo de la costa holandesa. ^[11] El carácter de esta corriente costera es diferente en el caso de mares poco profundos, cuando la corriente ocupa toda la columna de agua y su movimiento se ve afectado por la fricción del fondo , y en el caso de una columna de advección superficial cuyo tamaño vertical es menor que la profundidad del agua. ^{[1] [6]}

En el nivel más básico e idealizado, las columnas de río se pueden clasificar como advectadas por la superficie o advectadas por el fondo . ^{[6] [12]} Se considera que una columna es advectada por el fondo cuando ocupa toda la columna de agua desde la superficie hasta el fondo marino . En este caso, su estratificación es principalmente horizontal como resultado de una fuerte advección sobre toda la columna de agua , especialmente cerca del fondo . Una columna advectada por la superficie no interactúa con el fondo porque su tamaño vertical es menor que su profundidad. En este caso, una columna está estratificada principalmente verticalmente . La diferenciación entre estos dos tipos (idealizados) de columnas de río se puede hacer evaluando un conjunto de parámetros, como lo establecieron Yankovsky y Chapman en su artículo de 1997. ^[6] La distancia hasta la cual la columna de agua dulce del río es transportada a través de la plataforma por procesos en la superficie está dada por

${\displaystyle y_{s}={\frac {2}{f}}{\sqrt {\frac {3g'h_{0}+v_{i}^{2}}{2g'h_{0}+v_{i}^{2}}}},}$

dónde

• ${\displaystyle v_{i}}$es la velocidad de entrada desde la región de la fuente y el chorro de campo cercano,
• ${\estilo de visualización f}$es la fuerza de Coriolis,
• ${\estilo de visualización g'}$es la flotabilidad, y
• $estilo de visualización h_{0}}$es la profundidad de la columna de agua en la desembocadura del río / estuario .

Hasta el punto de despegue, la columna todavía "siente" el fondo y se habla de columnas de advección de fondo, y deben tenerse en cuenta los procesos relevantes que involucran la dinámica del fondo. ^[13] Las escalas verticales de las columnas fluviales formadas por los ríos más grandes de todo el mundo son de 10 a 20 m, mientras que la escala vertical de la mayoría de las columnas fluviales es inferior a varios metros. Como resultado, la mayoría de las columnas fluviales del mundo son de advección superficial; es decir, la parte de advección de fondo cerca del estuario antes del punto de despegue en estas columnas es mucho más pequeña que la parte de advección superficial. Las columnas fluviales con grandes partes de advección de fondo se forman principalmente por grandes ríos que desembocan en zonas marinas poco profundas, como la columna del Volga en la parte norte del mar Caspio .

Las columnas de convección de fondo se caracterizan a menudo por grandes condiciones de descarga y generalmente son menos sensibles a la fuerza del viento y la convección y mezcla correspondientes. ^[6] Este tipo de convección es impulsada por el transporte de Ekman de fondo , que impulsa la salida del río dulce o salobre con densidad y velocidad desde un estuario de ancho y profundidad hasta la zona frontal a través de la plataforma. Esto se indica en la figura de la derecha. Cuando la zona frontal está lo suficientemente lejos de la costa, la dinámica del viento térmico puede transportar el flujo de volumen completo lejos del estuario. La posición transversal a la costa , que denota el ancho de la corriente costera, y la profundidad de equilibrio a la que la columna se separa del fondo se pueden calcular en condiciones de equilibrio con una cierta pendiente del fondo mediante ${\displaystyle \rho_{i}}$${\displaystyle v_{i}}$${\estilo de visualización L}$$estilo de visualización h_{0}}$${\displaystyle y_{b}}$$estilo de visualización h_{b}$${\estilo de visualización s}$

${\displaystyle h_{b}={\sqrt {\frac {2fv_{i}h_{0}}{g'}}}}$

${\displaystyle y_{b}={\frac {h_{0}}{s}}({\sqrt {\frac {2fLv_{i}}{g'h_{0}}}}-1)}$. ^[6]

Tenga en cuenta que esto solo es válido cuando la capa de Ekman inferior no puede transportar el flujo de salida del río hacia el mar y otro proceso rige la propagación. En ese caso, solo se encuentra una columna de advección superficial. ^{[6] [7]}${\displaystyle h_{b}>h_{0}}$${\displaystyle h_{b}<h_{0}}$

Las columnas de agua advectadas por la superficie se producen cuando se cumple la condición previamente definida de . Una columna de agua advectada por la superficie tiene la estructura típica de una columna de río, como se describe en la sección Estructura de la columna de río. En la región cercana a la desembocadura, el impulso inicial del flujo de salida del río es el mecanismo dominante, después del cual otros procesos como la fuerza del viento y el efecto Coriolis toman el control. En una columna de agua advectada por la superficie, los procesos relacionados con la interacción con el fondo, como el desarrollo de una capa de Ekman en el fondo, no son relevantes. Por lo tanto, el parámetro definido puede ignorarse en este enfoque ya que no tiene base física. ^{[6] [7]}${\displaystyle h_{b}<h_{0}}$${\displaystyle y_{b}}$

En el caso de que la profundidad de entrada sea menor que la profundidad , y la distancia hasta la cual la capa de Ekman inferior transporta la descarga del río sea menor que la distancia hasta la cual los procesos superficiales transportan la descarga del río, ( ), se puede encontrar una columna intermedia. En una columna intermedia se pueden encontrar ambos regímenes. Naturalmente, la sección de advección inferior se puede encontrar más cerca de la desembocadura del estuario y la sección de advección superficial se puede encontrar más alejada de la costa. El punto de despegue separa las regiones. ^{[6] [7]}$estilo de visualización h_{0}}$$estilo de visualización h_{b}$${\displaystyle y_{b}<y_{s}}$

El enfoque se puede generalizar aún más mediante la no dimensionalización de los parámetros. Los parámetros adimensionales tienen el beneficio de simplificar la dinámica de los procesos relevantes al evaluar la magnitud de diferentes términos. En el caso de las columnas de los ríos, proporciona una dirección adicional a la clasificación básica y sus diferentes dinámicas. Los dos números adimensionales más relevantes son el número de Burger , que expresa la importancia relativa de la flotabilidad , y el número de Rossby , que expresa la importancia relativa de la advección. La reagrupación conduce a las siguientes distancias transversales adimensionales y : ${\displaystyle S={\sqrt {g'h_{0}}}/(fL)}$ ${\displaystyle Ro=v_{i}/(fL)}$$Estilo de visualización Y_{b}$${\displaystyle Y_{s}}$

${\displaystyle Y_{s}={\frac {2(3S^{2}+Ro^{2})}{\sqrt {2S^{2}+Ro^{2}}}}}$

${\displaystyle Y_{b}={\frac {h_{0}}{sL}}({\frac {\sqrt {2Ro}}{S}}-1)}$.

Los mismos regímenes que se discutieron anteriormente se aplican a los parámetros no dimensionales. Las columnas de advección de fondo ( , ) en general tienen números de Burger pequeños y, por lo tanto, la flotabilidad es relativamente poco importante. Las columnas de advección de superficie ( ) en general tienen números de Burger grandes y, por lo tanto, la flotabilidad es importante. Además, el número de Rossby indica si la columna se clasifica como una columna de advección de superficie o una columna intermedia. Un número de Rossby relativamente grande en comparación con el número de Burger indica que la advección es importante en comparación con la flotabilidad y permitirá que ocurra al menos una advección de fondo parcial, de modo que se puede esperar una columna intermedia. ^{[6] [12]}${\displaystyle h_{b}>h_{0}}$${\displaystyle Y_{b}>Y_{s}}$${\displaystyle h_{b}<h_{0}}$

Téngase en cuenta que el esquema descrito anteriormente se desarrolló para casos idealizados, es decir, para columnas de ríos en ausencia de fuerza externa que desembocan en un mar con batimetría y costa idealizadas.

Las columnas de los ríos varían en escalas temporales diurnas a sinópticas . ^[3] En este rango de escalas temporales, la variación periódica más importante se encuentra dentro del ciclo de mareas, en el que se puede distinguir un ciclo de mareas (diario) y un ciclo de mareas vivas-muertas (quincenal). ^[14] Esta variación barotrópica en la magnitud y dirección de la velocidad de las mareas da lugar a variabilidad en la fuerza y ​​estabilidad de la columna de río. ^[7] Esto ya está claro a partir de la competencia entre la descarga del río y la mezcla de mareas, capturada en el número de Richardson estuarino (adimensional) , que se utiliza para evaluar de manera general si una columna de río puede desarrollarse en un sistema determinado. ^[5] La dinámica de las mareas conduce a la siguiente dinámica general de las columnas de río. ${\displaystyle Ri_{E}=g_{r}'{Q_{r}}/W_{E}u_{marea}^{3}}$

Un ciclo de mareas consta de un período de inundación o flujo hacia la tierra y un período de reflujo o flujo hacia el mar. ^[15] Para una descarga fluvial constante se puede encontrar una estratificación estable durante las condiciones de reflujo y una estratificación inestable durante las condiciones de inundación. ^[11] Esto se representa esquemáticamente en la figura de la derecha. La mezcla que ocurre durante las condiciones de inundación debido a la estratificación inestable debilita la estratificación y la advección eficiente de la pluma del río ^[11] y ocurre en situaciones con números de Richardson estuarinos bajos . $Estilo de visualización Q_{r}$

Durante las condiciones de reflujo, la estratificación se mejora, lo que genera condiciones estables y una fuerte advección en la superficie. ^[11] Debido a la conservación de la masa, esta situación requiere mayores flujos hacia tierra cerca del fondo. Este proceso se denomina deformación de marea. En el caso de una costa abierta, los efectos bidimensionales comienzan a desempeñar un papel. El transporte de Ekman baroclínico provoca afloramientos durante los flujos de reflujo y hundimientos durante los flujos de inundación. ^[5] Por lo tanto, estos efectos de afloramiento baroclínico pueden hacer que los flujos de reflujo transporten nutrientes y sedimentos hacia la costa. ^[11]

Durante un ciclo de mareas vivas-muertas, los efectos baroclínicos durante un ciclo de mareas se amplifican y favorecen ya sea un aumento de la tensión de marea o de la mezcla de mareas. ^[11] Las mareas vivas se caracterizan por amplitudes de marea relativamente grandes y velocidades de flujo de marea. ^[15] Esto conduce a una mayor mezcla de mareas durante todo el ciclo de mareas y una estratificación debilitada . ^[11] En algunas áreas, la estratificación desaparece por completo, lo que resulta en un sistema bien mezclado, y estos sistemas solo pueden incorporar columnas de río algunas veces. ^[7] En sistemas de costa abierta , las condiciones de marea viva generalmente conducen a mayores efectos de hundimiento de la columna de río boyante , lo que causa un mayor transporte hacia el mar de sedimentos y nutrientes . ^[11]

Las mareas muertas se caracterizan por amplitudes de marea y velocidades de flujo de marea relativamente bajas. ^[15] Esta situación favorece el efecto de tensión de marea como se observa durante las mareas de reflujo debido a la disminución de la mezcla de mareas y al aumento del flujo diferencial durante un ciclo de marea . ^[11] Debido al efecto de tensión de marea más fuerte, las condiciones de marea muerta generalmente se caracterizan por un mayor flujo hacia tierra cerca del fondo y mayores efectos de surgencia costera asociados . ^[11] En casos extremos, esto puede conducir a grandes deposiciones en la playa , como el evento de varamiento masivo de estrellas de mar en la costa cerca de Scheveningen el 30 de enero de 2019. ^[16]

Un ejemplo de una columna de aire transportada por la superficie es la columna del río Fraser , que contiene todas las regiones dinámicas, claramente visibles desde el espacio. La estructura inicial en forma de chorro se transforma gradualmente en una columna de aire de campo lejano más alejada de la costa, que se desvía hacia la derecha, como sería de esperar en el hemisferio norte , debido al efecto Coriolis . Otras columnas fluviales similares son las del río Columbia , el río Niágara y el río Hudson . ^{[1] [9]}

La columna del río Amazonas es un ejemplo de columna fluvial en la que la rotación de la Tierra no juega un papel. Debido a la alta descarga , el momento correspondiente de la salida y la latitud ecuatorial, la dinámica de la columna se caracteriza principalmente por el número de Froude interno . Las corrientes ambientales transportan la columna lejos de la desembocadura. ^{[1] [13]} Se pueden encontrar columnas similares en otras partes a lo largo del Ecuador .

La dinámica de la columna del río Mersey en la desembocadura de la bahía de Liverpool muestra un gran parecido con una columna de advección de fondo. ^[17] Esto se debe a la fuerte influencia del fondo y la fricción del fondo en el flujo, y esto controla la propagación transversal a la costa y la escala de longitud. Este tipo de columna se puede encontrar a menudo en mares marginales y mares de plataforma , como en el mar del Norte en la desembocadura del Rin . ^{[1] [18]}

• Pluma (dinámica de fluidos)
• Región de influencia de agua dulce

• Steven Lohrenz. "Procesos y dinámica de las columnas fluviales". Facultad de Ciencias y Tecnología Marinas, Universidad de Massachusetts, Dartmouth . Consultado el 13 de febrero de 2021 .