Circulación general de los océanos

   

Los oceanos influyen el clima terrestre a traves de su intercambio con la atmósfera de grandes cantidades de calor, humedad y gases como el dioxido de carbono.

Atmosfera

Flujos de calor, vapor de agua, energia, CO2, momento

Oceano

   

Batimetría

Los océanos cubren el 71% de la Tierra, y tienen una profundidad promedio de 4km

   

Ecuación de estado

p – presión: a pesar de que el agua no es completamente incompresible usualmente 

T­ temperatura

s – salinidad: medida de la cantidad de sal disuelta en el agua de mar. Promedio: ~34.5 partes por millón.La salinidad se mide en “practical salinity units” (psu).

aumenta con la salinidad y disminuye con la temperatura

=T ,s ,p

=T , s

   

   

   

   

   

Estructura vertical de temperatura

Aguas superficiales son mas calidas.

Existe un gran gradiente vertical de temp entre los 500 y 1000m: termoclina

En profundidad la temperatura de los oceanos es casi uniforme

   

Estructura vertical de nutrientes

Baja concentracion de nutrientes en superficie.

Existencia de un gran gradiente concentracion hasta los 1000m

En profundidad la concentracion de nutrientes es uniforme.

   

Como la luz solo penetra unas decenas de metros en el oceano las aguas superficiales son calidas y las mas profundas frias. 

La luz define la zona eufotica en la superficie donde viven las plantas oceanicas que requieren luz para la fotosintesis. Las plantas, y el zooplancton que las consume, asi como otros organismos en la cadena alimentaria absorben la mayoria de los nutrientes y el CO2 disponible en la superficie.

Cuando los organismos mueren, muchos van a parar al fondo de los oceanos, donde se descomponen en sus componentes quimicos, aumentando la concentracion de nutrientes en profundidad: bomba biologica.

   

Capa límite oceánica

   

   

Temperatura en una seccion del Atlantico.

Como el oceano es calentado por arriba, las aguas calidas quedan en la superficie y el oceano se estratifica inhibiendo movimientos verticales convectivos como en la atmosfera tropical.

Pero, por que no existe una temperatura mas uniforme en el oceano? El calor podria haber sido transportado por difusion desde la superficie al fondo durante miles de anos, calentando las capas mas profundas.

   

CO2 en el oceano

La capacidad de absorber CO2 del agua oceanica aumenta cuando la temperatura del agua decrese, la cual es una de las razones por las cuales la concentracion de carbono en el fondo del oceano es mayor. 

Si la temperatura del fondo oceanico aumentara, el dioxido de carbono escaparia a la atmosfera.

Asi, la existencia de la termoclina atrapa CO2 en las profundidades y el oceano actua como reservorio de CO2.

Por que existe la termoclina?

   

La termoclina esta mantenida

por las dos grandes

circulaciones oceanicas:

1) circulacion de superficie

forzada por los vientos

2) circulacion termohalina

   

Esquema de la circulacion general oceanica.

   

Causas de las corrientes oceanicas

Las corrientes oceanicas son generadas primariamente por fuerzas en la superficie asociadas al intercambio de calor y humedad con la atmosfera, y por los vientos. 

Asi, las corrientes mas intensas ocurren en las capas superficiales, arriba y en la termoclina.

   

Corrientes de superficie

   

¿Cual es el efecto de los flujos de calor y agua sobre la circulacion oceanica?

   

A pesar de que la sal representa únicamente el 3% de la masa de los océanos, es de gran importancia pues afecta la densidad. 

En latitudes altas donde la diferencia de temperaturas entre las aguas superficiales y las profundas es chica una pequeña adicion de sal causa que las aguas superficiales se hundan. Dos procesos pueden provocar este procesos de convección oceánica: 

Evaporación, que saca moléculas de agua pura, sin sal, dejando aguas oceánicas mas saladas. Esto ocurre durante el invierno cuando masas de aire muy frías y secas se mueven del continente hacia un océano mas cálido, lo cual calienta el aire y absorbe humedad, provocando que las aguas superficiales se enfríen, se hagan mas salinas y se hundan. 

La formación de hielo: el hielo se forma únicamente con moléculas de agua dejando las sales en el agua líquida aumentando así la salinidad de los océanos. 

   

Distribucion de la densidad de superficie en el invierno del HN

Mares Labrador y Groenlandiason sitios de produccion de aguas profundas.

   

Mares de Weddell y Ross sonsitios de produccion de aguas profundas.

Distribucion de la densidad de superficie en el invierno del HS

   

Evidencia de creacion de masas de agua profundas:

Distribucion de tritium en el Atlantico Norte

El tritium entro al oceano por causa de las pruebas con bombas atomicas.

Se observa que en 10 anos aumento la cantidad de tritium en aguas profundas

Muy estratificadoinhibeconveccion.

   

Mas evidencia: Distribucion de edades del agua a 3km de profundidad. Los puntos indican donde se tomaron las medidas (Broecker, 1985)

Carbon radiativo es creado en la atmosfera alta debido a los rayoscosmicos. Entraal oceano a traves de la absorcion de CO2, y una vezdebajo de la superficiedecae.

Sitios de formacionde aguas profundasmuestran lasedades mas jovenes.

   

Circulación termohalina

Azul – trayectoria de masas de agua en profundidadRojo – trayectoria de masas de agua en superficie

   

   

Distribucion de salinidad en el Atlantico muestra corrientes

30°S30°S 24°N24°N

(1)

(2)

(3)

(4)

   

El agua que se hunde es densa por su alta salinidad y su baja temperatura. Si la salinidad es suficientemente alta, el agua se hundirá aún si su temperatura aumenta un poco. Por lo tanto, la manifestación atmosférica del calentamiento global podría ser enlentecida si los océanos absorben el calor y lo guardan en capas profundas. La capacidad calorífica del agua es tan grande que aún un  pequeño aumento de temperatura en el océano profundo puede representar un gran sumidero de calor. 

La sensibilidad de la circulación termohalina a perturbaciones – qué se requiere para que la circulación se detenga o comience a funcionar en forma diferente – no se conoce. Este es un tema de gran actividad de investigación mundial actual. Para determinar esto los científicos se basan en modelos climáticos numéricos y en el estudio de climas pasados – paleoclimas. 

   

¿Cual es el efecto de los vientos?

   

Media anual de los vientos en superficie

   

• Los vientos arrastran el agua en la superficie• Debido a Coriolis, la velocidad del oceano en superficie es hacia 

la derecha (izquierda) de los vientos en el HN (HS).• La capa superficial arrastra la de abajo, la cual se mueve hacia la 

derecha de esta un poco mas despacio.• La proxima capa arrastra la de mas abajo y asi sucesivamente.• Se produce un espiral de vectores de corriente hacia el norte en el 

HN, (y hacia el sur en el HS) con velocidades decrecientes con la profundidad.

viento

   

Espiral de Ekman

   

Transporte en la capa de Ekman

• Transporte: 90° con respecto a los vientos UEk= τ/ρf  (m2/s). Para un esfuerzo del viento tipico de 0.1 N/m2, UEk= 1 

m2/s. Integrando sobre el ancho de un océano de alrededor de 5000 km, se obtiene un transporte total de 5 x 106 m3/sec = 5 Sv.

L. Talley

   

Profundidad de la capa de Ekman

• Profundidad: depende de la visocidad turbulenta AV    Dek = (2AV/f)1/2

Av cercana a 0.05 m2/sec, por lo que se obtiene una profundidad  de 20 ­ 60 m dependiendo de la latitud.

   

Velocidad en la capa de Ekman

• Velocidad  Si AV es constante, la velocidad en superficie está 45° con respecto a los vientos.

• Para AV = 0.05 m2/sec, y un esfuerzo del viento de 1 dyne/cm2 (0.1 N/m2), la velocidad en superficie es de 3 cm/sec en 45°N.

   

El arrastre de los vientos causa que los océanos se comiencen a mover, y por dinámica de Ekman

el transporte es a 90°.

   

En c/hemisferio las corrientes creadas por los alisios y por los vientos del oeste se encuentran

cerca de los 30° donde el agua se hunde.

   

Parte del agua que sehunde fluye hacia el ecuador por debajo dela superficie, en la termoclina conservandola misma temperaturay salinidad.

Una vez que el aguallega al ecuador, aflora, es calentado porla radiacion solar, y es llevada de vuelta hacia lospolos, completandola circulacion.

   Gu and Philander (1997)

El resto del agua que se hunde en 30° participa en giros subtropicales que viajan hacia el polo en

corrientes como la corriente del Golfo o del Brazil, antes de retornar a la region de hundimiento

   

Corrientes de superficie

Los giros subtropicales son asimetricos debido a larotacion terrestre: las corrientes son mas intensas en las costas oestes de las cuencas. ¿Por que?

   

Afloramiento Afloramiento ecuatorial: El ecuador está caracterizado por la 

existencia de una lengua fría de aguas superficiales en el lado este de los océanos causada por la divergencia creada por los alisios: parcelas de agua que son llevadas hacia el oeste por los vientos experimentan una fuerza hacia la derecha al norte y hacia la izquierda al sur del ecuador. 

   

La divergencia ecuatorial causa el afloramiento de aguas frías y con nutrientes proveniente de las capas mas profundas. Así, estas lenguas frías son zonas de gran productividad biológica. 

Verde: clorofila

   

Afloramiento costero: El afloramiento de aguas profundas también ocurre a lo largo ciertas costas, como las costas de Ecuador y Perú causando que esas aguas superficiales sean frías y muy ricas en nutrientes. Esto courre pues los alisios tienen una componente hacia el ecuador que conduce primero las corrientes hacia el norte que luego son torcidas hacia la izquierda por la fuerza de Coriolis, alejandolas de la costa.

   

Como medimos las corrientes? Si bien existen correntómetros, la forma mas usual de inferir las 

corrientes es a través de mediciones de temperatura y salinidad. Teniendo la temperatura y la salinidad es posible calcular la elevación 

de la superficie del mar. El agua se expande cuando está caliente, por lo que un incremento en la temperatura de una columna de agua causa un aumento del nivel del mar. 

Recientemente, los satélites han comenzado a proveer mediciones directas de las variaciones en la altura del nivel del mar. La altura del nivel del mar, a su vez es una indicación de la presión. 

Usando geostrofismo es posible así calcular las corrientes, de la misma forma que calculamos los vientos. 

   

Por ejemplo, el nivel del mar es más alto en la porción oeste de las cuencas oceánicas, marcando la existencia de los giros. A su vez se ve que el gradiente de altura es mayor cerca de las costas oestes. Asociando un mayor nivel del mar a una alta presión, usando geostrofismo, podemos deducir la existencia de las intensas corrientes en las costas oestes subtropicales que viajan hacia los polos y las debiles corrientes que viajan hacia el ecuador en las costas estes de las cuencas.

   

   

   

   

Ecuatorial Undercurrent La altura del nivel del mar es 50 cm mayor en el Pacífico ecuatorial oeste que 

en el este. Como la fuerza de Coriolis es despreciable en el ecuador es posible para el agua desplazarse de mayor a menor presión. No obstante, los alisios conducen el agua en superficie de este a oeste. Por lo tanto, la corriente ecuatorial que fluye de oeste a este ocurre por debajo de la superficie: “Ecuatorial Undercurrent” 

Tiene el máximo a una profundidad de 100 m. Su ancho es de sólo 200 km, pero se extiende a lo largo de los 15.000 km de extensión del Pacífico. Es comparable en intensidad a la corriente del Golfo. 

   

Corte longitudinal en el Pacifico

EquatorialUndercurrent

   

¿Cuanto calor transportan los océanos?

En una clase anteriorvimos que para mantenerel balance energético terrestre la atmósfera yel océano deben transportar energía

   

Los océanos absorben calor preferentemente en los trópicos y pierden elcalor en latitudes altas del hemisferio norte.

Transporte de calor medio anual