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Introducción a la Oceanografía Física. Bloque D 1
D MASAS DE AGUA DE LOS OCÉANOS Y SU ESTABILIDAD
Introducción a la Oceanografía Física
Introducción a la Oceanografía Física. Bloque D 2
Bloque D - Masas de aguas de los océanos y su estabilidad
1.- Introducción. Propiedades conservativas y no conservativas.2.- Masas de agua.3.- Procesos de formación de las masas de agua.4.- Diagramas T-S y representación de los procesos de mezcla.5.- Cuantificación en el análisis de las masas de agua.6.- Evolución y decadencia de las masas de agua.7.- Estabilidad vertical de las masas de agua.8.- Otros diagramas característicos.
Introducción a la Oceanografía Física. Bloque D 3
1.- Introducción. Propiedades conservativas y no conservativas.
Físicamente T y S son propiedades independientes.
Parece en principio factible encontrarse cualquier combinación de T y S en los océanos del mundo.
Sin embargo el número de posibles combinaciones está limitado.
T0 , S0
T0 , S0T1 , S1 T2 , S2
• Las valores de T y S posibles vienen fijados por el clima en lugares muy concretos de la superficie.
• Estos valores de T y S determinan cual es la densidad del agua de mar.
• Algunas de estas aguas se hunden y mantienen la T y S que adquirieron en la superficie.
• Esta T y S sólo puede cambiar a través de la mezcla con otras aguas con T y S distintas.
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1.- Introducción. Propiedades conservativas y no conservativas.
Propiedades conservativas de los océanos.• Son aquellas propiedades cuyos valores pueden ser alterados a través
procesos que ocurren en los límites de los océanos, pero que dentro de los océanos solo pueden ser modificadas por procesos de mezcla.
• Ejemplos: T, S,…Propiedades no conservativas de los océanos.• Estas propiedades están sujetas además a cambios dentro de los
océanos mediante procesos físicos (otros que la mezcla), químicos y biológicos.
• Ejemplos: Oxígeno disuelto, nutrientes,…
Importancia de las propiedades conservativas T y S.• Pueden ser utilizadas para identificar un cuerpo de agua y establecer su
origen o su mezcla con otros cuerpos de agua.
• T y S son propiedades del agua de mar que se pueden medir fácilmente.
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2.- Masas de agua.
Masas de agua.
T0 , S0
T0 , S0
v = 1 cm/s
• El análisis de las masas de agua permite conocer la circulación en la parte inferior de los océanos.
• Agua tipo. Masa de agua completamente homogénea en sus propiedades (definición ideal).
v = 20 cm/s
Muestreo
• Cuerpo o volumen de agua distinguible por sus propiedades físicas y biológicas.
• Las propiedades empleadas para diferenciarlos son T y S principalmente.
• Se forman en áreas oceánicas específicas.
• En muchos casos toman sus valores de T y S cuando están en la superficie bajo influencia del clima local.
• Después se hunden y se desplazan lentamente conservando su T y S.
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2.- Masas de agua.
Ejemplo de masa de agua.• Un ejemplo de masa de agua es el Agua Mediterránea (AM).• Se forma en el Mediterráneo Noroccidental en invierno.• El viento Mistral produce una intensa evaporación y enfriamiento, que produce un
aumento de densidad.• Esta agua homogénea se mezcla verticalmente y desciende al fondo (2000 m).• Esta agua homogénea (T=12.8ºC, S=38.4) se extiende por el Mediterráneo llegando
al Estrecho de Gibraltar.
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2.- Masas de agua.
Ejemplo de masa de agua.
T S
• Este AM sale del Mediterráneo hacia el Atlántico situándose por debajo del agua atlántica entrante.
• Hay una gran mezcla en la interfase de ambas aguas.
• Las características del agua AM menos mezclada son T=11ºC, S=36.5
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2.- Masas de agua.
Ejemplo de masa de agua.• La AM se sitúa en el Atlántico a 1000 m de profundidad (flotabilidad neutra) y se
extiende a este nivel.
• Esta agua se modifica a través de una mezcla continua.
• Pero puede detectarse a grandes distancias por su T y S altas.
Salinidad a 1000 mTemperatura a 1000 m
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3.- Procesos de formación de las masas de agua.
Procesos de formación de las masas de agua.• Los procesos involucrados en la formación de las masas de agua son:
- Convección profunda.- Subducción.- Mezcla.
Capa de mezcla
Convección.• Sucede en lugares con poca estratificación (regiones polares y
subpolares).
• Ocurre cuando el agua superficial se hace más densa que aquella situada en la parte inferior y se hunde.
• El aumento de la densidad puede producirse por:- Enfriamiento.- Aumento de la salinidad
Evaporación.Congelación.
- Ambos procesos (térmico y halino) actuando conjuntamente.
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3.- Procesos de formación de las masas de agua.
Mezcla.
Subducción.• Sucede principalmente en regiones subtropicales.• Se produce por convergencia y lento hundimiento de las aguas oceánicas.• Se bombea el agua de la parte inferior de la capa de mezcla a mayores
profundidades a lo largo de superficies de densidad constante.
• Pueden formarse por mezcla de dos o más masas de agua.
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4.- Diagramas T-S y representación de los procesos de mezcla.
Diagrama T-S: Gráfica donde se representa T frente a S (Helland-Hansen, 1916).
Salinidad33.0 33.5 34.0 34.5 35.0 35.5
Tem
pera
tura
(ºC
)
-5
0
5
10
15
20σt=24.0
σt=25.0
σt=26.0
σt=27.0
σt=28.0800 m
900 m
0 m
100 m
200 m
300 m
400 m
500 m
700 m600 m
1km1.2 km
1.6 km1.4 km
1.8 km2 km2.5 km3 km
3.5 km4 km
• Se representan con puntos las combinaciones de T y S obtenidas para cada profundidad.
• Los puntos son unidos en orden creciente de profundidad mediante una curva suave (Curva T-S).
• Es mejor usar la temperatura potencial (θ) en los diagramas. Es propiedad conservativa.
• Se suelen representar algunas curvas de densidad constante. Permite estudiar la densidad y estabilidad de las masas de agua.
• Es mejor usar como densidad σθ aunque también se emplea σt
Realización
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4.- Diagramas T-S y representación de los procesos de mezcla.
Tem
pera
tura
(ºC
)
Salinidad33.0 33.5 34.0 34.5 35.0 35.5
-5
0
5
10
15
20
• Agua tipo. - Masa de agua de T y S homogéneas.- Es un punto en el diagrama T-S.
• Mezcla de dos aguas tipo.
- La línea que une a dos aguas tipo resulta de la mezcla de estas.
Agua tipo
Agua tipo
Mezcla de aguas tipo
- Estas definiciones son ideales y en realidad hay una dispersión alrededor de estos puntos y curvas.
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4.- Diagramas T-S y representación de los procesos de mezcla.
Densificación o cabelling: Proceso por el cual a través de la mezcla de dos masas de agua de igual densidad y distintas T y S se puede obtener un agua de mayor densidad.
Salinidad33.0 33.5 34.0 34.5 35.0 35.5
Tem
pera
tura
(ºC
)
-5
0
5
10
15
20σt=24.0
σt=25.0
σt=26.0
σt=27.0
σt=28.0
• La dependencia de la densidad con T y S hace que las isopicnasaparezcan curvadas en el diagrama T-S, y esto hace que el agua resultante de la mezcla de A y B no caiga sobre ella y tiene una densidad mayor.
• Este proceso puede ser importante en la producción de masas de agua.
A
T1,S1
BT2,S2
RTR,SR
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5.- Cuantificación en el análisis de las masas de agua.
Mezcla de dos aguas tipo.
Tem
pera
tura
(ºC
)Salinidad
33.0 33.5 34.0 34.5 35.0 35.5-5
0
5
10
15
20AT1,S1
BT2,S2
a
b R
- Sean m1 porciones de un agua tipo A de T1 y S1, y m2 porciones de un agua tipo B de T2 y S2.
- La T y S del agua que resulta de la mezcla es
21
2211mmTmTmT
++
=21
2211mmSmSmS
++
=
- El diagrama T-S permite hallar las porciones de agua tipo de un punto que cae en la recta que une a A y B
ab
BA=
porción porción
100 %,100 % ×+
=×+
=ba
aBba
bA
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5.- Cuantificación en el análisis de las masas de agua.
Mezcla de tres aguas tipo.
- Los círculos con las letras A, B y Crepresenta a cada una de las aguas tipo.
- Las rectas AB, BC y CA representan a las masas de agua resultantes de la mezcla de A y B, B y C, y C y A.
- La curva en el interior del triángulo ABCes una masa de agua resultante de la mezcla de los tipos A, B y C.
-El diagrama T-S permite hallar las porciones de agua tipo de un punto que cae dentro del triángulo de mezcla.
Tem
pera
tura
(ºC
)Salinidad
33.0 33.5 34.0 34.5 35.0 35.5-5
0
5
10
15
20
BT2,S2
AT1,S1
a
b
cd
e
f
C T3,S3
Triángulo de mezcla
R
100 % ×+
=ba
bA
100 % ×+
=dc
dB
100 % ×+
=fe
fC
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6.- Evolución y decadencia de las masas de agua.
Evolución de la mezcla de dos aguas tipo.
200
600
1000
z (m)
2 6 10T (ºC)
Perfil T-z
200
600
1000
z (m)
34.0 34.4 34.8S
Perfil S-z
A
B
A
B discontinuidad discontinuidad
3434.8Salinidad
210Temperatura (ºC)
600-1000 m200-600 mEspesor
BAAgua tipo
• Situación 1. Antes de iniciarse la mezcla entre los dos cuerpos de agua.
34.0 34.4 34.8S
10
6
2
T (ºC)
Diagrama T-S
200-600 A
600-1000 B
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6.- Evolución y decadencia de las masas de agua.
Evolución de la mezcla de dos aguas tipo.
200
600
1000
z (m)
2 6 10T (ºC)
Perfil T-z
200
600
1000
z (m)
34.0 34.4 34.8S
Perfil S-z
A
B
A
B
• Situación 2. Los dos cuerpos de agua han experimentado una mezcla parcial.- La discontinuidad entre los dos cuerpos de agua ha ido desapareciendo de los perfiles T-z y S-z.
- En el diagrama T-S se observa una línea uniendo las aguas tipo A y B, que es indicativo de la presencia de mezcla.
34.0 34.4 34.8S
10
6
2
T (ºC)
Diagrama T-S
200-400
800-1000
600
500
700
A
B
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6.- Evolución y decadencia de las masas de agua.
Evolución de la mezcla de dos aguas tipo.
200
600
1000
z (m)
34.0 34.4 34.8S
200
600
1000
z (m)
2 6 10T (ºC)
Perfil T-z Perfil S-z
A
B B
A
• Situación 3. La mezcla entre los dos cuerpos de agua alcanza su estado más avanzado.- En los perfiles de T-z y S-z la transición de estas propiedades para ambos cuerpos de agua es aún más gradual que el caso anterior.
- En el diagrama T-S se continua observando una línea uniendo las aguas tipo A y B,aunque cambia la distribución de los puntos, que aumenta en uniformidad a medida que la mezcla progresa.
T (ºC)
34.0 34.4 34.8S
10
6
2
Diagrama T-S
200
1000
600
400
800
A
B
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6.- Evolución y decadencia de las masas de agua.
Evolución de la mezcla de tres aguas tipo.
discontinuidad
Perfil T-z
2 6 10T (ºC)
z (m)200
600
1000
1400 discontinuidad
Perfil S-z
34.0 34.4 34.8S
200
600
1000
z (m)
1400
discontinuidadA
B
C
A
B
C
34
2
600 -1000 m
B
34.834.8Salinidad
210Temperatura (ºC)
1000 -1400 m200 -600 mEspesor
CAAgua tipo
• Situación 1. Antes de iniciarse la mezcla entre los tres cuerpos de agua.
34.0 34.4 34.8S
10
6
2
T (ºC)
Diagrama T-S
200-600
A
600-1000
B C
1000-1400
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6.- Evolución y decadencia de las masas de agua.
Evolución de la mezcla de tres aguas tipo.
Perfil T-z
2 6 10T (ºC)
200
600
1000
z (m)
1400
Perfil S-z
34.0 34.4 34.8S
200
600
1000
z (m)
1400
A
B
C
A
B
C
Core water
• Situación 2. Los tres cuerpos de agua han experimentado una mezcla parcial.- La discontinuidad entre los dos cuerpos de agua ha ido desapareciendo de los perfiles T-z y S-z.
- En el diagrama T-S se puede distinguir aún la capa de agua intermedia con su T y S original (core water), que aparece representada como una esquina o vértice.
10
6
2
T (ºC)
34.0 34.4 34.8S
Diagrama T-S
200-400 A
B C 1200-1400
500
600
700800
900 1000 1100
Core water
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6.- Evolución y decadencia de las masas de agua.
Evolución de la mezcla de tres aguas tipo.
34.0 34.4 34.8S
10
6
2
T (ºC)
Diagrama T-SPerfil T-z
2 6 10T (ºC)
200
600
1000
z (m)
1400
34.0 34.4 34.8S
200
600
1000
Perfil S-zz (m)
1400
A
B
C
A
B
C
A
B C
1400
200
500
600
700
800 900
1000
300400
1100
Core water
• Situación 3. La mezcla entre los tres cuerpos de agua está en un estado más avanzado.- En los perfiles de T-z y S-z la transición de estas propiedades para ambos cuerpos de agua es aún más gradual que el caso anterior.
- La capa intermedia ya no conserva su T y S original.- En el diagrama T-S desaparece el vértice correspondiente al “core water”
Introducción a la Oceanografía Física. Bloque D 22
6.- Evolución y decadencia de las masas de agua.
Evolución de la mezcla de tres aguas tipo.
T
S
123
- En la evolución de la mezcla de tres aguas tipo se basa el “método core” desarrollado porWust (1935) para determinar la propagación de las masas de agua y también su estado de mezcla.
- Es posible incluso obtener información del agua que dio origen al “core”.
34.0 34.4 34.8S
10
6
2
T (ºC)
Diagrama T-S
A
B C
123
Introducción a la Oceanografía Física. Bloque D 23
7.- Estabilidad vertical de las masas de agua.
- La estabilidad de la columna de agua viene marcada por los cambios de la densidad con la profundidad.
• Si la densidad aumenta con la profundidad, la columna de agua es estable (dσθ/dz>0)• Si disminuye con la profundidad, la columna de agua es inestable (dσθ/dz<0)• Si la densidad no cambia con la profundidad, la estabilidad es neutra (dσθ/dz=0)
Salinidad33.0 33.5 34.0 34.5 35.0 35.5-5
Tem
pera
tura
(ºC
)
0
5
10
15
20σt=24.0
σt=25.0
σt=26.0
σt=27.0
σt=28.0
estable estable
inestable
inestable
- El diagrama T-S permite analizar la estabilidad de las masas de agua.
• Si la curva T-S corta las isopicnasformando grandes ángulos el agua puede ser altamente estable o inestable.
• Si la curva T-S corta las isopicnasformando ángulos pequeños, el agua puede ser ligeramente estable o inestable.
•Si la curva T-S es paralela a lasisopicnas la estabilidad del agua es neutra.
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8.- Otros diagramas característicos.
Diagrama T-S-V.-Es una extensión del concepto de diagrama T-S que refleja la distribución de la temperatura y salinidad de los océanos en proporción a su volumen.
-Para ello es necesario usar un gráfico tridimensional, en el que cada pico indica el volumen de agua con unas propiedades de T y S características.
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8.- Otros diagramas características.
Diagrama T-S-t.- Es una extensión del concepto de diagrama T-S que incluye información de la evolución temporal de las propiedades de las aguas oceánicas en áreas específicas.
- Para ello se traza en un diagrama T-S estándar, la temperatura y salinidad de un área dada a intervalos de tiempo regulares.