Circulacion general oceanica

Transcripción

1 Circulacion general oceanica

2 Batimetria Los océanos cubren el 71% de la Tierra, y tienen una profundidad promedio de 4km Las cuencas estan atravesadas por dorsales.

3 Una cuenca oceanica tipica comienza en la costa con la plataforma continental extendiendose hasta una profundidad de 200 m. La plataforma puede variar en ancho desde unas decenas de metros a miles de kilometros. La plataforma termina usualmente en forma abrupta dando lugar al talud, una zona de gran pendiente (entre 5% y 10%). El talud conecta con el fondo marino que tiene una pendiente tipica de 0.01 a 0.1%.

4 Exploración oceánica Vikingos como los polinesios hicieron uso de su experiencia con corrientes oceanicas para explorar nuevas areas en el Atlantico y el Pacifico, respectivamente. Los normandos, por ejemplo, instalaron colonias cerca de New Foundland en el 1000 AD y viajaron continuamente entre esta colonia y Europa del norte usando las corrientes en el Atlantico Norte. Las primeras documentaciones occidentales sobre las corrientes oceanicas fueron realizadas durante las expediciones de Cristobal Colon ( ), Vasco da Gama ( ) y Fernando Magallanes ( ). Colon fue el primero en medir las corrientes en el Atlantico. Las mediciones fueron luego continuadas por James Cook ( ) en el Endeavour, el Resolution y el Adventure, y por Charles Darwin ( ) en el Beagle.

5 Por que el océano es relativamente frío? En 1751, Henry Ellis, capitan de un barco de esclavos británico hizo un descubrimiento sorprendente cerca de 24N: el oćeano profundo es frío!

6 Por qué el océano profundo es relativamente frío? La solucion al problema fue encontrada por el conde Rumford cerca de 1800: las aguas frias descienden en los mares polares y se mueven hacia el ecuador por medio de corrientes profundas.

7 Maury ( ) 1er oceanografo físico The Physical Geography of the Sea Recien en 1925 se realizo la primer expedicion dedicada a la oceanografia fisica. Entre 1925 y 1927 la expedicion alemana en el Meteor realizo mediciones de temperatura y salinidad sobre una gran region del Atlantico.

8 Año Internacional de la Geofisica en la cooperacion entre varios paises permitio realizar medidas sobre grandes dominios oceanicos, y no restringirse unicamente a una de las cuencas. El World Ocean Circulation Experiment (WOCE), operacional desde 1985 a 1995, tuvo como finalidad medir, describir, modelar y comprender la circulacion oceanica global. Se realizaron muchisimos transectos midiendo temperatura y salinidad en todos los oceanos, muchos de los cuales fueron repetidos para determinar variaciones de largo plazo en estas variables. Los datos estan disponibles en el sitio web Otros programas internacionales donde el estudio de los oceanos forma parte integral fueron el TOGA (Tropical Ocean Atmosphere Program), PIRATA y el CLIVAR (Climate Variability) que aun estan funcionando.

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10 El primer satelite para investigacion oceanografica, el SEASAT, fue lanzado en 1978 y, aunque estuvo en funcionamiento solo por un mes, se realizaron importantes medidas de la topografia de la superficie del mar usando altimetria con radar. Hoy dia se realizan medidas de la altura de superficie del mar (TOPEX, ERS), concentracion de clorofila en superficie (SeaWifs) y temperatura de superficie del mar (AVHRR) en forma rutinaria y con cobertura global. Estos datos estan disponibles para la comunidad, por ejemplo en Se han dado los primeros pasos para un sistema de monitoreo global de los oceanos. Por ejemplo, ARGO es un programa que consiste en mas de 3000 boyas a la deriva que miden temperatura y salinidad de 0 a 2000 m de profundidad. Esto permite, por primera vez, el monitoreo global y continuo de temperatura, salinidad y velocidad de las corrientes de los oceanos globales. Los datos son transmitidos por cada boya y disponibles al publico muy rapidamente (

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12 Ecuación de estado = T, s, p T- temperatura s salinidad: medida de la cantidad de sal disuelta en el agua de mar. Promedio: ~34.5. p presión: a pesar de que el agua no es completamente incompresible usualmente = T, s Lasalinidadsemideen practicalsalinityunits (psu) osinunidades. aumentaconlasalinidadydisminuyeconlatemperatura

13 La composición relativa de los constituyentes de la salinidad es constante. Cloruro sódico

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17 Salinidad en superficie

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19 Corrientes de superficie El sistema de corrientes superficiales esta dominado por los giros subtropicales.

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22 Verde: clorofila

23 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

24 Capa límite oceánica

25 La capa limite oceanica es mucho mas profunda en invierno

26 Termoclina estacional (en latitudes medias, superpuesta a la termoclina permanente) Invierno verano Verano invierno

27 Por debajo de la capa límite es posible distinguir diferentes tipos de masas de agua. A16

28 Una vez debajo de la capa superficial en contacto con la atmosfera, T y S se conservan permitiendo la identificacion de masas de agua. T y S lejos de la superficie solo pueden cambiar a traves de la friccion y adveccion. Masas de agua Aguas Profundas del Atlantico Norte Aguas Antarticas de Fondo T= C, S= Aguas Antarticas Intermedias T=2-4 C, S= T= C, S=

29 12N, A16 NADW

30 Algunas masas de agua varian sus caracteristicas con la profundidad y por lo tanto estan representadas por lineas en el diagrama T-S. Ejemplo: aguas centrales de la termoclina permanente

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32 Sitios de formación de aguas profundas Apesardequelasalrepresentaúnicamenteel3%delamasadelos océanos,esdegranimportanciapuesafectaladensidad. Enlatitudesaltasdondeladiferenciadetemperaturasentrelasaguas superficialesylassubsuperficialeseschicaunapequeñaadiciondesal causaquelasaguassuperficialessehundan.dosprocesospueden provocaresteprocesosdeconvecciónoceánica: Evaporación,quesacamoléculasdeaguapura,sinsal,dejandoaguas oceánicasmassaladas.estoocurreduranteelinviernocuandomasas deairemuyfríasysecassemuevendelcontinentehaciaunocéano mascálido,locualcalientaelaireyabsorbehumedad,provocando quelasaguassuperficialesseenfríen,sehaganmassalinasyse hundan. Laformacióndehielo:elhieloseformaúnicamenteconmoléculasde aguadejandolassalesenelagualíquidaaumentandoasílasalinidad delosocéanos.

33 Distribucion de la densidad de superficie en el invierno del HN Mares Labrador y Groenlandia son sitios de formación de aguas profundas.

34 Distribucion de la densidad de superficie en el invierno del HS Mares de Weddell y Ross son sitios de formación de aguas profundas. R W

35 Evidencia de creacion de masas de agua profundas: Muy estratificado inhibe conveccion. Distribucion de tritio en el Atlantico Norte El tritio entró al oceano por causa de las pruebas con bombas atomicas. Se observa que en 10 años aumento la cantidad de tritio en aguas profundas

36 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.

37 Circulación termohalina Azul trayectoria de masas de agua en profundidad Rojo trayectoria de masas de agua en superficie

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39 Circulacion somera: El agua se hunde en 30 y se mueve hacia el ecuador a unos 200 m de profundidad. Llega a la costa oeste, se mueve hacia el este y aflora en la región central y este. Gu and Philander (1997)

40 Corte longitudinal en el Pacifico Corriente Subsuperficial equatorial

41 Seccion longitudinal muestra las dos circulaciones: la termohalina y la circulacion somera. Isotermas

42 Circulacion regional

43 Salinidad en superficie

44 January snapshot of the upper layer horizontal velocity and temperature fields derived from the Miami Isopycnal Coordinate Model (Micom). The red and blue lines show schematically the regions of higher velocity and where the flow is relatively well organized. The thick blue line represents the Malvinas Current and the Malvinas Return and the thick red line represents the Brazil Current. The thick white lines indicate two hydrographic sections. Piola et al

45 The poleward penetration of subtropical waters associated to the Brazil Current and the equatorward penetration of subantarctic waters associated to the Malvinas Current lead to the complex vertical structure of water masses observed in western Argentine Basin.

46 Efecto dinámico de los vientos

47 Dinámica de Ekman 2 u u u u 1 p u u v w f v= AH AH 2 t x y z x x 2 1 p v v v v v u v w f u= AH AH 2 y t x y z x p 0= g z 2 2 u u A V 2 2 y z 2 2 v v AV 2 2 y z El balance fundamental está dado por la igualdad: Fuerza de Coriolis = Fuerza de Fricción en direccion vertical 2 u f v =AV ; 2 z 2 v f u= AV 2 z

48 Por lo tanto u= Entonces 2 V A u 2 4 f z z u=ce 1 =± 1±i d 4 d = 2A V / f Imponiendo condiciones de borde u =, z=0 z AV u z =0 En la superficie la variacion de la velocidad con la profundidad esta dado por el esfuerzo de los vientos A medida que me alejo de la superficie la velocidad disminuye

49 Si = y entonces la solución es 2 z u E z = e [ y sin ] fd d 4 2 z/d z v E z = e [ y cos ] fd d 4 d = 2A V / f z/d Profundidad de la capa de Ekman

50 Espiral de Ekman (H.N.)

51 Transporte de Ekman 1 U E = u E z dz= y f 0 1 V E = v E z dz= x f 0 No depende de Av!

52 Bombeo de Ekman Si el viento varía espacialmente el transporte de Ekman también lo hará y habrá convergencia/divergencia en la capa lo cual induce movimientos verticales.

53 Divergencia del transporte de Ekman U E V E y x. U E = =[ ] x y x f y f Integrando en profundidad la ecuacion de continuidad obtenemos el bombeo de Ekman w =. u E z x 1 y we = [ ] x f y f

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56 El bombeo de Ekman juega un papel importante en la creacion de las Aguas Centrales de la termoclina pues bombea agua de superficie fuera de la capa limite (Iselin 1939).

57 Afloramiento costero

58 Afloramiento ecuatorial

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63 Funcion corriente transporte de masa en el oceano Se observan las 2 celdas tropicales y la circulacion profunda Valores positivos indican circulacion en sentido horario.

64 Esquema de la circulación general oceánica

65 Calculo de corrientes en superficie Para escalas mayores a días y a varias decenas de km, las corrientes estan gobernadas por el equilibrio geostrófico en la dirección horizontal. Fuerza de Coriolis = Fuerza de gradiente de presión 1 p fv= x 1 p fu= y

66 g v= f x g u= f y En superficie esas ecuaciones se pueden escribir como donde η es la altura del nivel del mar La intensidad de las corrientes geostroficas es proporcional a la pendiente de la altura del nivel del mar en superficie. Hemisferio Norte

67 Altura del nivel del mar por altimetria La altura de referencia es el geoide y es aquella que tendria el oceano en reposo. La topografia de la superficie aparece por mareas, corrientes y el efecto barometrico inverso (topografia dinamica). Estas variaciones son 1/100 de las ondulaciones del geoide.

68 La forma de la superficie esta dominada por variaciones locales en el campo gravitatorio. La influencia de las corrientes es mucho menor. Por ello es necesario sistemas de altimetria muy precisos para medir las variaciones en la altura del mar debido a las corrientes.

69 Observaciones de altura del nivel del mar del TOPEX/POSEIDON a traves de la corriente del Golfo. Norte Sur

70 Pendiente grande asociada a la corriente del Golfo.

71 Campo de altura del nivel del mar (AVISO) l

72 Campo de anomalias de altura del nivel del mar

73 Corrientes geostroficas asociadas a eddies (H.N.)

74 Corrientes geostroficas

75 Altura media del nivel del mar

76 Variacion del nivel del mar

77 Cálculo de corrientes en profundidad Usamos el viento térmico: cambio de la velocidad geostrófica con la profundidad Mediciones hidrográficas de T y S permiten calcular ρ Es necesario elegir un nivel de referencia.

78 Integrando entre z1 y z2 podemos obtener el cambio de velocidad de las corrientes como h' f v 2 v 1 =g x h' f u 2 u1 = g y 1 h '= dz 0 El nivel z1 es el nivel de referencia. En general se considera que z1 representa un nivel de no movimiento (~2000m). Una mejor alternativa es considerar un nivel donde se conoce la velocidad de las corrientes en base a mediciones in-situ.

79 Balance energético en el tope de la atmósfera. La atmósfera recibe más radiación solar en los trópicos y menos en los polos. La distribución de energía NETA evidencia un balance que no es por columna atmosférica y por lo tanto implica un transporte

80 Cuanto calor transportan los océanos? Para mantener el balance energético terrestre la atmósfera y el océano deben transportar energía Transporte de energia por atm+ocn

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

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83 Transporte de calor medio anual Excepto en los tropicos, la atmosfera domina el transporte de calor Que componente de la circulación oceánica transporta mas calor?