Propiedades físicas del agua
El agua salada tiene unas propiedades únicas que la distinguen de otros fluidos. Dentro de las propiedades físicas más importantes están su alto calor específico, su leve conducción de calor y la gran capacidad de disolución. En gran medida estas propiedades dependen de la temperatura, salinidad y presión.
La temperatura promedio del océano es de aproximadamente 17.5 ºC. La temperatura máxima es de 36 ºC en el Mar Rojo y la mínima es de – 2 ºC en el Mar de Weddell en la Antártida. La distribución de temperatura de las aguas depende de la radiación solar y de la mezcla de las masas de agua en el océano.
Las aguas cálidas superficiales transmiten el calor a las aguas próximas debajo de ellas formando una zona de productividad, aproximadamente de 200-400 m. A los 1000-1800 m la temperatura disminuye gradualmente y bajo los 1800 m el agua se mantiene fría.
La salinidad de la superficie del agua depende mayormente de la evaporación y la precipitación. En zonas tropicales donde la evaporación es mayor que la precipitación encontramos agua de mayor salinidad (>350/00). En las regiones costeras, el agua dulce desemboca cerca de las bocas de los ríos y la salinidad generalmente no excede de 15-200/00.. En las zonas de los polos, el proceso de congelamiento y derretimiento de los hielos ejerce mayor influencia sobre la salinidad de las aguas superficiales. En el verano del Ártico, encontramos las salinidades más bajas (~290/00).
La salinidad promedio del océano es de 350/00 pero ésta puede variar dependiendo de la estación, la latitud y la profundidad. En conjunto, la temperatura y la salinidad afecta la densidad del agua. A su vez, la densidad afecta muchos otros parámetros como los procesos de mezcla de las diferentes masas de agua y la transmisión de sonido. Aguas estratificadas evitan la mezcla del agua superficial con el agua de la profundidad, mientras que aguas poco estratificadas favorecen la mezcla.
En estas gráficas se muestran perfiles de la columna de agua para el mes de febrero colectadas en un gradiente costero-oceánico desde 10 Km. hasta 46 Km. de la costa, en la zona sur de Puerto Rico (La Parguera). La gráfica de arriba a la izquierda, nos indica la densidad. La salinidad está representada en la gráfica de arriba a la derecha. Las gráficas de abajo muestran, a la izquierda, la temperatura y a la derecha la concentración de clorofila-a. En ellas, podemos observar una capa mixta superficial con estratificación permanente. Se muestra un picnoclino (cambio abrupto en la densidad del agua) y un termoclino (cambio abrupto en la temperatura del agua). Ambos cambios están asociados a un aumento en salinidad y una disminución en la temperatura según aumenta la profundidad. Para tomar estos datos se utilizan instrumentos oceanográficos como el (CTD) que se ve a la derecha, por sus siglas en inglés “Conductivity Temperatura and Depth”
Patrones de Viento
Debido a la rotación de la Tierra, todo lo que se mueve en su superficie no sigue una línea recta, sino que tiende a girarse hacia un lado. Esto se conoce como el efecto de Coriolis. El efecto es muy leve para sentirlo cuando caminamos o vamos en un carro, pero es muy importante en distancias grandes. Esta desviación afecta el curso de proyectiles y obviamente el de los vientos y las corrientes. La desviación es hacia la derecha en el Hemisferio Norte y hacia la izquierda en el Hemisferio Sur.
Los vientos son los responsables de producir las olas y las corrientes en el océano. A su vez es el calentamiento solar lo que impulsa los vientos. La mayor energía solar se recibe en el Ecuador, por eso el aire es más caliente en el Ecuador y más frío en los polos. El aire caliente, por ser menos denso, se eleva en el Ecuador, por lo que se forma una baja presión. Según el aire caliente se aleja del Ecuador hacia el norte o hacia el sur, se enfría y se torna más densa y baja. Esto ocasiona un gradiente de presión y otra masa de aire tiene que remplazarlo, ocasionando el viento. Entonces se forma una celda de circulación o de convección.
Cuando el aire caliente del Ecuador asciende se forman las calmas ecuatoriales (“doldrums”) y al ser reemplazado por aire de latitudes más altas, se forman los Vientos Alisios (“Trade Winds”). Estos soplan del noreste y sureste desde las altas presiones subtropicales hacia las bajas presiones tropicales del Ecuador. Estos vientos son constantes y traen las típicas brisas del noreste a Puerto Rico. Los otros vientos también son impulsados por la energía solar, pero tienden a ser más variables que los alisios.
En las latitudes templadas, los vientos céfiros del oeste (“Westerlies”) soplan desde las altas presiones subtropicales hacia las bajas presiones templadas. En las latitudes altas, las fuertes y altas presiones polares engendran los Vientos Solanos del Levante que soplan del este (“Polar Easterlies”), los vientos más variables que hay.
Corrientes Geostróficas
Hay dos tipos de corrientes en el océano: las corrientes superficiales, que constituyen el 10% del agua del océano y se encuentran desde los 400 m hacia arriba y las corrientes de agua profunda o la circulación termohalina que afectan el otro 90% del océano.
Las corrientes oceánicas están influenciadas por fuerzas que inician el movimiento de las masas de agua, estas son: el calentamiento solar y los vientos. El balance entre otro tipo de fuerzas influye en la dirección del flujo de las corrientes, la fuerza de Coriolis (que es siempre hacia la derecha en el Hemisferio Norte) y la gravedad la cual se dirige hacia el gradiente de presión. Estas corrientes marinas se conocen como Corrientes Geostróficas, (del griego strophe, giro: fuerzas provocadas por la rotación de la tierra).
El calentamiento solar causa la expansión del agua. Ya que, cerca del Ecuador las temperaturas son más altas, esto causa que el nivel del mar esté cerca de 8 cm. mas alta que en las latitudes medias. Esto causa una pendiente o inclinación en el nivel del mar y el flujo del agua tiende a fluir hacia abajo, en dirección de la pendiente.
Los vientos que soplan en la superficie empujan el agua desplazándola en la dirección de donde provienen. Lo que ocasiona que el agua tienda a amontonarse en la dirección que sopla el viento. Entonces, la gravedad tiende a halar el agua en contra del gradiente de presión o sea descendiendo por la inclinación de la pendiente. Pero debido a la rotación de la Tierra, la fuerza de Coriolis, causa que el movimiento del agua sea 45º hacia la derecha de la dirección del viento, en el Hemisferio Norte y 45º a al izquierda de la dirección del viento, en el Hemisferio Sur, alrededor de los centros de amontonamiento. Este flujo de agua produce grandes corrientes circulares en las cuencas oceánicas que se conocen como Giros. Esta ilustración simplificada muestra los giros del Océano Atlántico.
El giro del Atlántico Norte está separado en cuatro corrientes distintas. La Corriente Ecuatorial del Norte, la Corriente del Golfo, la Corriente del Atlántico Norte y la Corriente de las Canarias.
Los Vientos Alisios que soplan del este desplazan el agua formando la Corriente Ecuatorial del Norte. En el margen Oeste del Atlántico se encuentra una masa continental continua, Norte, Centro y Sur América. De manera que la corriente tiene que moverse hacia el norte, entonces se conoce como la Corriente del Golfo. Al acercarse al Polo Norte, influida por los vientos del oeste, cruza el Atlántico formándose la Corriente del Atlántico Norte. Allí tropieza con otra masa de tierra, las Islas Británicas, Europa y África, por lo que fluye hacia el sur tornándose en la Corriente de las Canarias.
En el giro del Atlántico Sur, se forma la Corriente Ecuatorial del Sur, ocasionado por los Vientos Alisios del sureste. Al chocar con la masa continental de América del Sur se forma la Corriente de Brasil. Al acercarse al Polo Sur fluye de oeste a este y equivale a la Corriente del Atlántico Sur. La corriente del sur sube por África y representa la Corriente de Benguela.
El nivel del mar es más elevado en el Pacífico tanto en el norte como en el sur formando la Contracorriente del Ecuador, una estrecha banda alrededor del Ecuador (2 º N y 2 º S).
Aunque de una forma simplificada se describieron los dos grandes giros del Atlántico. En el Norte el giro es a favor de las manecillas del reloj y el del Sur en contra de las manecillas del reloj.
Podemos asimismo describir las corrientes en el Océano Pacífico. Al igual que en la cuenca del Atlántico tenemos la Corriente Ecuatorial del Pacifico Norte, que se desplaza de este hacia el oeste. Luego al ser interrumpida por las costas de Asia sube por la costa de Japón y se convierte en la corriente Kuroshío que guiada por los vientos Céfiros del oeste se torna en la Corriente del Pacífico Norte. Posteriormente baja como la corriente de las Aleutas y la Corriente de California, y al llegar al Ecuador cierra así el giro del Pacífico Norte.
En el giro del Pacífico Sur, tenemos la Corriente Ecuatorial del Pacífico Sur que eventualmente baja como la Corriente Australiana y cruza el océano como la Corriente del Pacífico Sur. Luego sube como la corriente del Perú tornándose otra vez en la Corriente Ecuatorial del Pacífico Sur, para completar el giro del Pacífico Sur. Al igual que en el Atlántico, en el Norte el giro es a favor de las manecillas del reloj y en el del Sur es en contra de las manecillas del reloj.
Hay una corriente que fluye alrededor de la Antártica, que se dirige de Oeste a Este. Es la única corriente que le da la vuelta a la Tierra. Esta se conoce como la Deriva del Viento del Oeste (“west wind drift”)
Las corrientes se pueden dividir en corrientes cálidas o calientes, que en el diagrama superior están representadas con las flechas de color rojo y las corrientes frías, que equivalen a las flechas azules.
Corrientes Cálidas y Frías
Las corrientes marinas superficiales trasportan un gran volumen de agua y energía en forma de calor, por lo que influyen en la distribución de la temperatura. Como resultado afecta el clima del planeta. Es por esto que el océano se conoce como el termostato de la Tierra
Esta imagen de satélite representa las corrientes cálidas y frías al igual que la ilustración anterior. Los colores equivalen a la temperatura de la superficie del agua (rojo más caliente, verdes y azules más frías)
Una de las propiedades del agua es su gran capacidad de calor. Las corrientes cálidas al oeste de las cuencas del océano, como la corriente del Golfo, puede transportar gran cantidad de energía en forma de calor hacia los polos. Por otro lado, corrientes frías, como la del Labrador, que bajan por el este de los polos, ayudan a refrescar los trópicos. Las corrientes cálidas, producen un aumento de la temperatura del aire y mayor concentración de vapor de agua en la atmósfera y por tanto, aumenta la humedad. Las corrientes frías disminuyen temperatura del aire y la concentración del vapor del agua en la atmósfera, por lo que baja la humedad. Sus efectos en el clima son evidentes, un ejemplo de esto ocurre en las costas de Escandinavia, zona cercana al Polo Norte donde no se forma hielo y las temperaturas son más altas de las esperadas para su latitud. También, por eso, encontramos arrecifes de coral en latitudes más altas, en los márgenes del oeste de las cuencas. Por esta razón, se dice que las corrientes oceánicas son el termostato de la Tierra ya que amortiguan las fluctuaciones termales.
Las corrientes son más fuertes en los márgenes del Este de los continentes de Asia y América del Norte, o en el lado oeste de las cuencas oceánicas. Esto se debe al amontonamiento del agua causado por los Vientos Alisios que soplan de Este. Para medir las corrientes, se utilizan equipos electrónicos tales como correntómetros, boyas a la deriva, entre otros.
Los números representados en esta ilustración muestran el índice de velocidad del flujo de las corrientes en “sverdrups” (1sv = 1 millón de metros cúbicos de agua por segundo)
La Corriente del Golfo es un ejemplo de las Corrientes de Margen o de Frontera
(Boundary Currents). Es una de las corrientes tropicales más fuertes del planeta.
Corrientes Termohalinas
El término termohalino proviene del griego, “thermos” es caliente, y “alinos” es salino. Las corrientes de agua profunda o la circulación termohalina comprenden el 90% de las corrientes del océano. De ninguna manera las aguas profundas están estancadas, sino que son dinámicas. Estas aguas se sumergen hacia las cuencas oceánicas ocasionadas por fuerzas de cambios en densidad y la gravedad. Las diferencias en densidad son reflejo de las diferencias en temperatura y salinidad. Las corrientes de aguas profundas se forman donde la temperatura del agua es fría y las salinidades son relativamente altas. La combinación de altas salinidades y bajas temperaturas afectan la densidad del agua tornándola más densa y más pesada provocando que se hunda. Esto ocurre en las zonas polares, y al hundirse se desplazan hacia las zonas ecuatoriales. El agua de las zonas ecuatoriales, en cambio, es cálida y tiende a desplazarse hacia las zonas polares a través de la superficie. La disolución de oxígeno es mayor en aguas frías. Al sumergirse estas aguas transportan oxigeno a las agua profundas. Esta fuente de oxígeno permite la existencia de la vida en aguas oceánicas profundas
El diagrama a continuación, nos ilustra los lugares donde se sumerge el agua de superficie, por tanto, donde se forma agua profunda. Estas son las zonas de color violeta y azul ubicadas en los Polos Norte y Sur. El agua fría entonces se mueve hacia zonas tropicales y emerge en la superficie. Aquí representada por el color verde claro. Esto permite el intercambio de oxígeno, nutrientes y energía de calor entre otras cosas, entre los polos y las zonas tropicales.
Las aguas profundas se forman en mayor medida en el Atlántico Norte, agua más densa por ser más salada y fría. Al sumergirse hacia el fondo mantiene la circulación oceánica en movimiento como si fuera un gran pistón. Las aguas del Océano Índico son muy cálidas para hundirse. En el Pacífico Norte, aunque el agua es fría no alcanza la salinidad necesaria para hundirse al fondo oceánico, pero forma agua con densidades intermedias. Esto es causa mayormente a la precipitación.
Los procesos que cambian la salinidad del agua son la precipitación, la evaporación y el congelamiento del agua. La temperatura del agua cambia predominantemente por el calentamiento solar. Estos procesos ocurren principalmente en la superficie. Una vez la masa de agua se sumerge la salinidad y la temperatura no puede cambiar, por lo que estas características únicas quedan impresas en las masas de agua en la superficie como si fueran una huella. Esto permite a los oceanógrafos identificar el movimiento de las masas de agua a través de grandes distancias.
Al sumergirse el agua en la superficie, su posición en la columna de agua depende de su densidad. La capa superficial al ser más caliente y menos densa se mantiene arriba. En términos generales tenemos una masa superficial que se encuentra entre los 100 a 200 m. En la mayoría de los casos, se conoce también como la capa mixta, ya que está mezclada bajo la acción de los vientos y las olas. En este diagrama simplificado se ilustran las tres capas de agua en la columna de agua.
Le sigue a la capa mixta una zona de transición donde el cambio de la temperatura con profundidad es abrupto. A esta capa se le conoce como el termoclino. Ocurre a una profundidad aproximada de 1500 m. Termoclinos más llanos y que varían con las estaciones ocurren en agua cercanas a las costas. En este caso nos referimos al termoclino que ocurre en las aguas oceánicas y que separan las masas de agua superficiales de las masas de agua profundas. Estas masas de agua están por debajo de los 1500 m y son frías con una temperatura promedio de 4 ºC.
Cinturón de transporte oceánico (“Conveyor Belt”)
En este diagrama se ilustran las corrientes superficiales (en amarillo) y las corrientes de agua profundas (en verde). El agua profunda del Atlántico se inicia al sur de Groenlandia donde aguas mas frías y saladas se hunden y se desplazan por el fondo e inician su viaje hacia el sur del Atlántico. Las masas de agua superficiales tienen a su vez que reemplazar las masas de agua que se hunden.
Mayormente, en el Hemisferio Norte, éstas son remplazadas por las aguas cálidas que vienen de la Corriente del Golfo. Como resultado hay una interconexión global en los patrones de circulación oceánica. Esta compleja conexión entre las corrientes oceánicas, se conoce como el Cinturón de Transporte Oceánico (Conveyor Belt). La misma dirige y afecta los patrones climáticos, transportando energía de calor y humedad alrededor de la Tierra. Pero esta conexión es vulnerable y podría se interrumpida o cambiar de dirección. Evidencia científica demuestra que ya ha ocurrido en el pasado. Una posible causa fueron los movimientos de los continentes con la fragmentación de las Placas Tectónicas. También se ha comprobado que estos cambios han traído cambios globales en los patrones climáticos. Estos incluyen cambios en los patrones de viento, retraimiento y avances de los hielos, fluctuaciones de precipitación entre otros. No debemos poner en riesgo este sistema climático.
En estos momentos no hay consenso entre los científicos, en las repercusiones reales y lo posibles efectos adversos, que puedan surgir con el aumento de los gases de invernadero y el calentamiento global. Se ha sugerido que cuando la corriente termohalina circula con mayor rapidez, transporta las aguas de los océanos Pacífico, Índico, y Atlántico sur, hacia el Atlántico tropical y hacia el Atlántico norte. Este movimiento es de vital importancia para la formación de huracanes y por supuesto para Puerto Rico. El cambio en la velocidad de este tipo de circulación puede ser afectado por diversos factores. Uno de gran importancia sería, la formación de las aguas al sur de Groenlandia Que aun cuando permanecen frías pudieran ser menos saladas, debido al deshielo en el área del Polo Norte. Esta agua se tornaría menos pesada y por tanto menos densa. Al tener menos peso y ser menos densa se hundiría a menor profundidad, de manera, que requerirá menos volumen de agua desde el ecuador para reemplazar la masa de agua que se hunde.
En resumen, la estabilidad y operación de este Cinturón de Transporte Oceánico es necesario para la estabilidad del planeta. Fluctuaciones en la dirección o velocidad de esta corriente, tendría efectos adversos. Entre algunos de los factores que se afectarían se encuentran, las fluctuaciones en el intercambio de oxígeno y nutrientes, entre las masas de agua superficiales y aguas profundas. Se alteraría la distribución y formación de los vientos, surgiría una modificación en los patrones climáticos globales. Por otro lado entre los factores que se afectarían a corto plazo, se pueden mencionar, la frecuencia y formación de huracanes y las variaciones en tiempo y espacio de las zonas de sequía y precipitación. Todos estos cambios se traducen en un impacto y deterioro de los patrones que conocemos hoy día, como consecuencia se afectaría el Planeta y los organismos que aquí habitamos.
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