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OCEANOGRAFÍA FÍSICA
La oceanografía física es una rama de las
ciencias del mar que se ha desarrollado
rápidamente y que trata de entender los
problemas relativos a las propiedades físicas
del agua del mar, o bien, a los movimientos de
las partículas fluidas que la componen, sin
olvidar la acción recíproca del mar y de la
atmósfera, por una parte, y del mar con el
fondo oceánico, por otra.
Esta ciencia incluye dos actividades principales:
la primera se dedica al estudio directo y a la
preparación de cartas sinópticas de las
propiedades físicas del océano, como
temperatura, densidad, transparencia, presión,
punto de ebullición, punto de congelación, calor
específico, energía absorbida, entre otras; y la
segunda es el estudio teórico de los procesos
físicos del mar que intervienen en la circulación
del agua oceánica, como corrientes, mezcla,
mareas y surgencias, para explicar su
comportamiento.
En el siguiente esquema se presentan de manera
generalizada algunas de las propiedades físicas del
océano:
ESTRUCTURA FÍSICA DE LOS OCÉANOS
Si recordamos las propiedades físicas del agua
de mar, encontramos que el océano se encuentra
dividido en su estructura vertical en capas,
resultado esto de las diferencias de densidad que
se presentan como resultado de la temperatura y
salinidad.
De manera general, tendremos siempre al agua menos
densa, más caliente y más ligera en la superficie,
mientras que el agua más fría, salada y densa se
encontrará más abajo.
Por lo anterior podemos dividir la estructura vertical del
océano en tres zonas generales: la superficie, la picnoclina
(la zona donde el cambio en la densidad es mayor*) y la
zona profunda.
(* La terminación clina hace referencia a las zonas donde el cambio
en un parámetro es más acentuado, así tenemos que la termoclina es
la zona en donde el cambio en temperatura es mayor y la haloclina es
la zona donde el cambio en salinidad es mayor.)
La zona de la superficie es la que esta en contacto con la
atmósfera y sufre cambios sustanciales debido a las
variaciones estaciónales en la cantidad de agua
(precipitación, evaporación) y de radiación solar. La zona
superficial tiene en promedio 100m de anchura y constituye
cercan del 2% del volumen del océano. Es esta zona
también la que se ve más influenciada por los fenómenos
atmosféricos, lo que provoca que esta zona sea
relativamente homogénea por los procesos de mezcla. Por
esta razón también se le conoce como zona mezclada.
La importancia de la zona superficial es que es ahí en
donde se presenta la mayoría de la producción primaria
(fotosíntesis) por que es la zona en donde la luz puede
penetrar, además de que como ya se mencionó, es la
zona que interactúa con la atmósfera.
En la picnoclina, la densidad del agua cambia de manera
notable conforme se incrementa la temperatura y forma
entonces una capa de mayor estabilidad que la de las
aguas superficiales. Como ya mencionamos, la formación
de la picnoclina es el resultado de los cambios en la
temperatura y salinidad con la profundidad, por lo que no
es de sorprender que la termoclina coincida con la
picnoclina. La formación de termoclinas es mucho más
marcada en las zonas oceánicas que se ven más afectadas
por la radiación solar. En altas latitudes, donde la radiación
solar puede no ser suficiente, el establecimiento de la
picnoclina puede darse por efectos de la salinidad (por
procesos de precipitación)
La picnoclina aísla parcialmente a la zona profunda del océano de los
procesos superficiales debido a que las aguas superficiales de menor
densidad no pueden mezclarse fácilmente con las aguas más
profundas y densas. Los cambios en la temperatura son mínimos en
las aguas por debajo de la picnoclina.
La zona profunda comprende cerca del 80% de las aguas oceánicas y
se encuentra en promedio a profundidades de 2,000m o más. En
general, la zona profunda es más rica en nutrientes que la zona
superficial.
MASAS DE AGUA
A pesar de la aparente homogeneidad del Océano es posible
distinguir varias zonas donde las aguas tienen propiedades
características bastante homogéneas, a partir de las cuales se
puede inferir algunas otras características como su origen y
movimientos . Las principales propiedades del agua que
determinan estas masas de agua son temperatura y salinidad.
Una masa de agua es un volumen de agua caracterizado
por la gráfica de una curva de Temperatura vs. Salinidad y
cuya extensión queda determinada por la semejanza con
otras curvas obtenidas en diferentes puntos y estaciones.
Las masas de agua con temperaturas y salinidades
características se forman en cierta áreas aisladas del
océano.
Las características que tiene el agua y, en particular, la
temperatura y salinidad son adquiridas mientras se
encuentra en la superficie bajo la influencia de los procesos
que afectan esas propiedades (radiación, evaporación,
precipitación). Estas características se modifican al
mezclarse con otras masas de agua, por lo que dejan la
superficie para hundirse según su densidad.
Se puede afirmar que las distintas masas de agua se
forman de dos maneras:
1. Por mezcla subsuperficial de las masas de agua que se
transportan por efecto de las corrientes.
2. Por procesos físicos meteorológicos en la superficie
(enfriamiento, calentamiento por radiación, evaporación
o precipitación, fusión de hielo, etc.).
Dadas las características propias de las masas de agua,
(temperatura, salinidad, densidad, presión, gases disueltos,
etc.) cada masa de agua representa un ecosistema diferente
y, no sólo eso, sino que el origen de las masas de agua afecta
a estos factores y las condiciones de vida de los organismos y
también determina la productividad primaria.
El estudio de las diferentes masas de agua y, por lo tanto, de
la determinación de la densidad producida por la relación
temperatura-salinidad, es una de las operaciones de gran
importancia para la oceanografía física, debido a que crea los
conocimientos para entender toda la dinámica del océano y
proporciona las bases para establecer la síntesis sobre los
movimientos del agua del mar.
FRENTES
De manera general podemos decir que un frente es una
zona de frontera entre dos masas de agua en donde se da
el choque de estas. Por las ligeras diferencias que las
masas de agua presentan en salinidad y temperatura,
cuando dos masas se encuentran no hay una mezcla
inmediata, sino un choque inicial que posteriormente
generará una zona de mezcla de las dos masas de agua.
Los frentes son zonas también muy productivas, ya que
los nutrientes tienden a acumularse y depositarse en estas
zonas.
Un ejemplo típico de frentes lo tenemos en las
desembocaduras de los ríos, pero también pueden
encontrarse en zonas del océano abierto.
PATRÓN GENERAL DE CIRCULACIÓN DE LOS
OCÉANOS: CORRIENTES
Las corrientes, o el movimiento de las masas de agua,
pueden ser dividas en corrientes impulsadas por el viento y
corrientes termohalinas.
La circulación por el viento es principalmente horizontal y es
importante en las aguas superficiales (hasta más de 300m),
donde tienen un papel importante en el transporte de calor
hacia las latitudes altas.
La circulación termohalina tiene un significativo componente
vertical y es la causante de la mezcla de las masas de agua.
La circulación termohalina se inicia en las latitudes altas
donde se produce agua de mayor densidad que se hunde y
se expande lentamente.
La circulación eólica corresponde de manera general al
patrón general de circulación atmosférica. Este patrón de
viento es relativamente constante, cambiando únicamente
en eventos extraordinarios, como el Niño, que cambia el
patrón de circulación del viento, lo que a su vez cambia la
circulación marina.
Corrientes Termohalinas
El término de circulación termohalina se refiere a
la circulación del agua por cambios ya sea en su
temperatura o densidad.
De manera general, sabemos que en latitudes
bajas hay un mayor calentamiento de las aguas
superficiales. Por este calentamiento, esas aguas
se expanden y suben su nivel. Por esa diferencia
de nivel, el agua caliente de los trópicos fluye
hacia los polos. No es este, sin embargo el único
mecanismo
de
formación
de
corrientes
termohalinas.
Otras corrientes termohalinas se producen en
altas latitudes. Como sabemos existe una pérdida
de calor en los polos, por el enfríamiento del agua
en la superficie, lo que provoca que su densidad
aumente y se hunda. Además, el incremento en la
salinidad durante la formación del hielo contribuye
también al incremento en la densidad. A ese
hundimiento de grandes cantidades de agua de la
masa superficial se le llama convergencia.
También pueden presentarse convergencias en
latitudes medias por incremento de la densidad
debido a la evaporación.
Dentro de los movimientos de convergencia que se presentan
en los océanos, uno de los más notorios es el antártico, que
rodea al planeta entre los 50° y 60° de latitud austral.
En las convergencias tropicales, localizadas en las latitudes
bajas, las aguas que se hunden sólo llegan a poca profundidad.
El agua que se dirige hacia zonas más profundas durante
las convergencias generalmente regresa a la superficie, y
cuándo esto sucede se presentan las llamadas divergencias,
o también surgencias, que pueden encontrarse a lo largo del
perímetro del Continente Antártico y en ciertos lugares frente
a las costas occidentales de los continentes.
En estas zonas situadas frente al continente la acción de los
vientos que soplan paralelamente a la costa es determinante
para que se presenten los movimientos de divergencia,
encontrándose las regiones de surgencia más importantes
del planeta frente a las costas de California, Perú,
Marruecos, África Sudoccidental y Australia Occidental.
En resumen y de manera general, se puede decir que las
corrientes oceánicas se producen porque el agua caliente
del ecuador, que es más ligera, fluye hacia los polos por la
superficie del mar, al llegar a éstos se enfría, desciende y
regresa hacia el ecuador por el fondo, ascendiendo muy
lentamente en las regiones tropicales, para iniciar el ciclo
nuevamente.
La rotación del planeta complica más la circulación
oceánica, porque tiende a desviar todas las masas de agua
hacia la derecha en el hemisferio norte y hacia la izquierda
en el sur por el efecto Coriolis.
De este modo, grandes cantidades de calor solar son
transportadas desde los trópicos hacia el norte y el sur,
dispersándose por el planeta; este calor, al aumentar, produce la
evaporación del agua en regiones subtropicales, la cual se
precipita como lluvia en las zonas templadas de mayor latitud. Esta
disipación del calor solar hace posible que una gran parte del
planeta sea habitable e influye en la distribución de los seres vivos.
SURGENCIAS O AFLORAMIENTOS
Las aguas de mayor producción primaria pueden agotar
los nutrientes de esa capa y, en cambio, en las zonas
más profundas, donde abundan los nutrientes del fondo,
debido a que no llega la luz solar, la productividad es casi
nula. Como ya se menciono, por los procesos de
divergencia, el agua rica en nutrientes del fondo, puede
aflorar por movimientos verticales de las capas de agua
cerca de las costas.
Para entender porque se dan las surgencias cerca de las
costas es necesario explicar un poco acerca del
movimiento de las masas de agua cerca de las costas
usando la Espiral de Ekman.
Por el efecto de Coriolis, las aguas superficiales son desviadas
hacia la derecha en el hemisferio norte. El físico Walfrid Ekman
demostró que cada capa de agua en la superficie pone en
movimiento a la capa inferior, con el resultado de que esa capa se
mueve ligeramente menos que la superior. A su vez, esa capa pone
en movimiento a la que se encuentre bajo ella y esa a la siguiente.
Si ese movimiento lo representamos como vectores obtenemos la
espiral de Ekman.
En algunas zonas costeras, cuando el viento sopla paralelo a la
costa, el transporte de Ekman causa que el agua superficial se
aleje de la costa. Esas aguas superficiales son entonces
reemplazadas por aguas provenientes de 100 0 200m de
profundidad, que típicamente son más frías y con menor cantidad
de oxígeno disuelto que las aguas superficiales. Además, esas
aguas del fondo son ricas en nutrientes (fosfatos y nitratos) por lo
que las áreas de surgencias son zonas sumamente productivas.
MAREAS
Las mareas son variaciones periódicas en el nivel de la
superficie del agua de los mares. Las mareas son el resultado
de la atracción gravitacional del sol y de la luna sobre la tierra.
Ya que el sol se encuentra alejado 360 veces más lejos que la
luna de la tierra, la influencia de la luna sobre las mareas es
mayor.
Si pensamos en el
océano de una manera
ideal, es decir, con una
profundidad uniforme y
sin fricción entre este y
el
piso
oceánico
estamos hablando de la
teoría del equilibrio de
mareas.
Tomando lo anterior en cuenta y considerando a la luna exactamente
sobre el ecuador, podemos esperar en este punto dos mareas altas y
dos mareas bajas al día. Estas mareas serán aun mayores cuando la
luna este alineada con el sol (luna llena y nueva) ya que las fuerzas
de atracción de la luna se sumarán con las del sol.
Obviamente, cuando la luna se encuentre en cuarto
creciente o menguante, el efecto de la marea será menor,
por la interferencia de las fuerzas de atracción del sol y la
luna.
Como se mencionó anteriormente, en cualquier punto de
la tierra (excepto en los polos) se esperaría que se
presentaran dos mareas altas y dos mareas bajas. Sin
embargo, eso era considerando un océano ideal.
Cuando se toman en cuenta los factores de la
profundidad, el tamaño y la forma de las cuencas
oceánicas y el efecto de los continentes hablamos de la
teoría dinámica de mareas.
En la realidad, encontramos que existen varios tipos de
marea en las diferentes partes del mundo, considerando la
teoría dinámica.
Tenemos mareas diurnas, caracterizadas por una sola
marea alta y baja en un ciclo lunar, mareas semidiurnas,
en donde se tienen dos mareas altas y dos mareas bajas
por día de aproximadamente la misma magnitud y mareas
mixtas que pueden tener características tanto de mareas
diurnas como de semidiurnas.
OLAS
La superficie del mar parece estar siempre en movimiento.
Esos movimientos son el resultado de las olas que viajan en
su superficie. Las más comunes y pequeñas son generadas
por el viento, y rompen de manera gentil en las costas. Las
olas generadas por movimientos tectónicos pueden generar
olas potencialmente destructivas.
En el mar podemos tener diferentes tipos de olas, como
olas de zonas someras, tsunamis, ondas internas y ondas
de marea.
Las características de una ola ideal,viéndola pasar desde un
punto fijo son las siguientes: la parte más alta llamada
cresta, los valles que son las depresiones, la longitud de
onda, que es la distancia entre cresta y cresta y la altura,
que es la distancia entre el valle y la cresta. El período será
el tiempo que dura el paso de una longitud de onda.
En esta ocasión nos enfocaremos únicamente en las olas
generadas por el viento.
Tres factores afectan el crecimiento de las olas. El primero
es la velocidad del viento. El segundo es la duración del
viento y el tercero es la distancia ininterrumpida en la cual el
viento sopla sin cambiar de dirección (fetch). Por ejemplo, el
fetch es mayor en el Pacífico Sur, que en una zona como el
Golfo de California. Generalmente, altas velocidades de
viento de larga duración producen grandes olas con
grandes longitudes de onda y períodos grandes también.
Los marineros desde hace mucho tiempo reconocieron la
relación entre la velocidad del viento y la altura de las olas.
De este conocimiento se derivó el Código de la
Organización Meteorológica Mundial del Estado del Mar:
World Meteorological Organization Sea State Code
Sea
State
Code
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Description
Sea like a mirror; calm
Smooth sea; ripples, no foam
Slight sea; small wavelets
Moderate Sea; large wavelets, crests begin to break
Rough sea; moderate waves, many crests break, whitecaps
Very rough sea; waves heap up, forming foam streaks
High Sea; sea begins to roll, forming very definite foam streaks and
considerable spray
Very high sea; very big, steep waves with wind-driven overhanging crests, sea
surface whitens due to dense coverage with foam
Mountainous seas; very high-rolling breaking waves, sea surface foamcovered
Mountainous seas; air filled with foam, sea surface white with spray
Average Wave Heights
(feet)
None
0 - 0.3
0.3 - 1.7
1.7 - 4
4-8
8 - 13
13 - 20
20 - 30
30 - 45
45 and greater
Las olas generadas en el mar son empujadas por el viento
hacia las costas, donde liberan su energía en la zona de
rompientes. La forma en que una ola rompe tiene mucho
que ver con la forma del fondo de la costa en donde rompe: