Circulación general de los océanos

Circulación general de los océanos
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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
=T , s , p 
p – presión: a pesar de que el agua no es completamente incompresible usualmente = T , s 
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
Estructura vertical de temperatura
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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 Estructura vertical de nutrientes
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Baja concentracion de nutrientes en superficie.
Existencia de un gran gradiente concentracion hasta los 1000m
En profundidad la concentracion de nutrientes es uniforme.
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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.
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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
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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
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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: 
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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. Mares Labrador y Groenlandia
son sitios de produccion de aguas
profundas.
Distribucion de la densidad de
superficie en el invierno del HN
Distribucion de la densidad de
superficie en el invierno del HS
Mares de Weddell y Ross son
sitios de produccion de aguas profundas.
Evidencia de
creacion de masas
de agua
profundas:
Muy
estratificado
inhibe
conveccion.
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
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 rayos
cosmicos. Entra
al oceano a traves
de la absorcion de
CO2, y una vez
debajo de la
superficie
decae.
Sitios de formacion
de aguas profundas
muestran las
edades mas
jovenes.
Circulación termohalina
Azul – trayectoria de masas de agua en profundidad
Rojo – trayectoria de masas
de agua en superficie
Distribucion de salinidad en el Atlantico muestra
corrientes
(1)
(2)
(3)
(4)
30°S
24°N
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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
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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 se
hunde fluye hacia el
ecuador por debajo de
la superficie, en la
termoclina conservando
la misma temperatura
y salinidad.
Una vez que el agua
llega al ecuador,
aflora, es calentado por
la radiacion solar, y
es llevada
de vuelta hacia los
polos, completando
la circulacion.
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
Gu and Philander (1997)
Corrientes de superficie
Los giros subtropicales son asimetricos debido a la
rotacion terrestre: las corrientes son mas intensas en las costas oestes de las cuencas. ¿Por que?
Afloramiento
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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
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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?
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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.
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Ecuatorial Undercurrent
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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
Equatorial
Undercurrent
¿Cuanto calor transportan los
océanos?
En una clase anterior
vimos que para mantener
el balance energético
terrestre la atmósfera y
el océano deben
transportar energía
Los océanos absorben calor preferentemente en los trópicos y pierden el
calor en latitudes altas del hemisferio norte.
Transporte de calor medio anual