Capa mixta - Mixed layer
La capa mixta oceánica o limnológica es una capa en la que la turbulencia activa ha homogeneizado cierto rango de profundidades. La capa de mezcla superficial es una capa donde esta turbulencia es generada por vientos, flujos de calor superficial o procesos como la evaporación o la formación de hielo marino que resultan en un aumento de la salinidad. La capa de mezcla atmosférica es una zona que tiene una temperatura potencial casi constante y una humedad específica con la altura. La profundidad de la capa de mezcla atmosférica se conoce como altura de mezcla . La turbulencia generalmente juega un papel en la formación de capas de mezcla de fluidos .
Capa mixta oceánica
Importancia de la capa mixta
La capa mixta juega un papel importante en el clima físico. Debido a que el calor específico del agua del océano es mucho mayor que el del aire, los 2,5 m superiores del océano retienen tanto calor como toda la atmósfera que se encuentra sobre él. Por tanto, el calor necesario para cambiar una capa mixta de 2,5 m por 1 ° C sería suficiente para elevar la temperatura de la atmósfera en 10 ° C. La profundidad de la capa mixta es, por tanto, muy importante para determinar el rango de temperatura en las regiones oceánicas y costeras. Además, el calor almacenado dentro de la capa mixta oceánica proporciona una fuente de calor que impulsa la variabilidad global como El Niño .
La capa mixta también es importante ya que su profundidad determina el nivel medio de luz que ven los organismos marinos. En capas mixtas muy profundas, las diminutas plantas marinas conocidas como fitoplancton no pueden obtener suficiente luz para mantener su metabolismo. La profundización de la capa mixta en invierno en el Atlántico norte está asociada, por tanto, con una fuerte disminución de la clorofila a superficial. Sin embargo, esta mezcla profunda también repone las reservas de nutrientes cerca de la superficie. Por lo tanto, cuando la capa mixta se vuelve poco profunda en la primavera y los niveles de luz aumentan, a menudo hay un aumento concomitante de la biomasa de fitoplancton, conocido como "floración primaveral".
Formación de capas mixtas oceánicas
Hay tres fuentes principales de energía para impulsar la mezcla turbulenta dentro de la capa de mezcla de mar abierto. La primera son las olas del océano, que actúan de dos formas. El primero es la generación de turbulencias cerca de la superficie del océano, que actúa para agitar el agua ligera hacia abajo. Aunque este proceso inyecta una gran cantidad de energía en los pocos metros superiores, la mayor parte se disipa con relativa rapidez. Si las corrientes oceánicas varían con la profundidad, las olas pueden interactuar con ellas para impulsar el proceso conocido como circulación de Langmuir , grandes remolinos que se mueven hasta profundidades de decenas de metros. El segundo son las corrientes impulsadas por el viento, que crean capas en las que hay cizalladuras de velocidad. Cuando estas cizallas alcanzan una magnitud suficiente, pueden devorar el fluido estratificado. Este proceso a menudo se describe y modela como un ejemplo de inestabilidad de Kelvin-Helmholtz , aunque otros procesos también pueden desempeñar un papel. Finalmente, si el enfriamiento, la adición de salmuera del hielo marino congelado o la evaporación en la superficie hacen que la densidad de la superficie aumente, se producirá convección . Las capas mixtas más profundas (que superan los 2000 m en regiones como el mar de Labrador ) se forman a través de este proceso final, que es una forma de inestabilidad de Rayleigh-Taylor . Los primeros modelos de la capa mixta, como los de Mellor y Durbin, incluían los dos procesos finales. En las zonas costeras, las grandes velocidades debidas a las mareas también pueden desempeñar un papel importante en el establecimiento de la capa mixta.
La capa mixta se caracteriza por ser casi uniforme en propiedades como la temperatura y la salinidad en toda la capa. Sin embargo, las velocidades pueden presentar cizalladuras significativas dentro de la capa de mezcla. La parte inferior de la capa mixta se caracteriza por un gradiente , donde cambian las propiedades del agua. Los oceanógrafos utilizan varias definiciones del número que se utilizará como profundidad de la capa mixta en un momento dado, basándose en la medición de las propiedades físicas del agua. A menudo, ocurre un cambio abrupto de temperatura llamado termoclina para marcar el fondo de la capa mezclada; a veces también puede ocurrir un cambio abrupto de salinidad llamado haloclina . La influencia combinada de los cambios de temperatura y salinidad da como resultado un cambio abrupto de densidad, o picnoclina . Además, los gradientes pronunciados de nutrientes (nutriclina) y oxígeno (oxiclina) y una concentración máxima de clorofila a menudo se ubican junto con la base de la capa de mezcla estacional.
Determinación de la profundidad de la capa mixta oceánica
La profundidad de la capa de mezcla a menudo se determina mediante hidrografía, haciendo mediciones de las propiedades del agua. Dos criterios a menudo utilizados para determinar la profundidad de la capa mixta son la temperatura y sigma- t (densidad) cambio de un valor de referencia (normalmente la medición de la superficie). El criterio de temperatura utilizado en Levitus (1982) define la capa de mezcla como la profundidad a la que el cambio de temperatura desde la temperatura de la superficie es de 0,5 ° C. El sigma- t criterio (densidad) utilizado en Levitus utiliza la profundidad a la que un cambio de la superficie sigma- t se ha producido de 0.125. Ninguno de los criterios implica que se esté produciendo una mezcla activa hasta la profundidad de la capa de mezcla en todo momento. Más bien, la profundidad de la capa de mezcla estimada a partir de la hidrografía es una medida de la profundidad a la que se produce la mezcla en el transcurso de unas pocas semanas.
Espesor de la capa de barrera
El espesor de la capa de barrera (BLT) es una capa de agua que separa la capa superficial bien mezclada de la termoclina . Una definición más precisa sería la diferencia entre la profundidad de la capa mixta (MLD) calculada a partir de la temperatura menos la profundidad de la capa mixta calculada mediante la densidad. La primera referencia a esta diferencia como capa de barrera fue en un artículo que describe las observaciones en el Pacífico occidental como parte del Estudio de la circulación del Océano Pacífico ecuatorial occidental. En las regiones donde está presente la capa de barrera, la estratificación es estable debido al fuerte forzamiento de flotabilidad asociado con una masa de agua dulce (es decir, más flotante) que se asienta en la parte superior de la columna de agua.
En el pasado, un criterio típico para MLD era la profundidad a la que la temperatura de la superficie se enfría por algún cambio en la temperatura de los valores de la superficie. Por ejemplo, Levitus usó 0.5 ° C. En el ejemplo de la derecha, se utiliza 0,2 ° C para definir el MLD (es decir, D T-02 en la figura). Antes de la abundante salinidad del subsuelo disponible en Argo , esta era la principal metodología para calcular el MLD oceánico. Más recientemente, se ha utilizado un criterio de densidad para definir el MLD. La MLD derivada de la densidad se define como la profundidad en la que la densidad aumenta desde el valor de la superficie debido a una disminución de temperatura prescrita de algún valor (por ejemplo, 0,2 ° C) del valor de la superficie mientras se mantiene constante el valor de salinidad de la superficie. (es decir, D T-02 - D sigma ).
Regímenes BLT
Los valores grandes de BLT se encuentran típicamente en las regiones ecuatoriales y pueden llegar a los 50 m. Por encima de la capa de barrera, la capa bien mezclada puede deberse a la precipitación local que excede la evaporación (por ejemplo, en el Pacífico occidental), la escorrentía de los ríos relacionada con el monzón (por ejemplo, en el norte del Océano Índico) o la advección de agua salada subducida en los subtrópicos (que se encuentra en todos los giros oceánicos subtropicales ). La formación de la capa de barrera en los subtrópicos está asociada con el cambio estacional en la profundidad de la capa mixta, un gradiente más agudo de la salinidad de la superficie del mar (SSS) de lo normal y la subducción a través de este frente SSS. En particular, la capa de barrera se forma en la temporada de invierno en el flanco hacia el ecuador de los máximos de salinidad subtropical. Durante el comienzo del invierno, la atmósfera enfría la superficie y el viento fuerte y la flotabilidad negativa obligan a mezclar la temperatura a una capa profunda. Al mismo tiempo, se extrae salinidad superficial fresca de las regiones lluviosas de los trópicos. La capa de temperatura profunda junto con una fuerte estratificación en la salinidad proporciona las condiciones para la formación de la capa de barrera.
Para el Pacífico occidental, el mecanismo de formación de la capa de barrera es diferente. A lo largo del ecuador, el borde oriental de la piscina cálida (típicamente isoterma de 28 ° C; ver el gráfico de SST en el Pacífico occidental) es una región de demarcación entre el agua dulce cálida al oeste y el agua fría, salada y aflorada en el Pacífico central. Se forma una capa de barrera en la capa isotérmica cuando el agua salada se subduce (es decir, una masa de agua más densa se mueve debajo de otra) desde el este hacia la piscina cálida debido a la convergencia local o el agua dulce caliente prevalece sobre el agua más densa del este. Aquí, los vientos débiles, las fuertes precipitaciones, la advección hacia el este de agua de baja salinidad, la subducción hacia el oeste de agua salada y las ondas ecuatoriales Kelvin o Rossby descendentes son factores que contribuyen a la formación profunda de BLT.
Importancia de BLT
Antes de El Niño , la piscina cálida almacena calor y está confinada al lejano oeste del Pacífico. Durante El Niño, la piscina cálida migra hacia el este junto con la precipitación concomitante y las anomalías actuales. La búsqueda de los vientos del oeste aumenta durante este tiempo, reforzando el evento. Utilizando datos del barco de la oportunidad y los amarres de Atmósfera Tropical - Océano (TAO) en el Pacífico occidental, se siguió la migración este y oeste de la piscina cálida durante 1992-2000 utilizando la salinidad de la superficie del mar (SSS) y la temperatura de la superficie del mar (SST). , corrientes y datos del subsuelo de conductividad, temperatura, profundidad tomados en varios cruceros de investigación. Este trabajo mostró que durante el flujo hacia el oeste, el BLT en el Pacífico occidental a lo largo del ecuador (138 o E-145 o E, 2 o N-2 o S) estaba entre 18 m - 35 m correspondiente con SST cálida y sirviendo como un eficiente Mecanismo de almacenamiento de calor. La formación de la capa de barrera es impulsada por corrientes hacia el oeste (es decir, convergentes y subductoras) a lo largo del ecuador cerca del borde este del frente de salinidad que define la piscina cálida. Estas corrientes hacia el oeste son impulsadas por ondas de Rossby descendentes y representan una advección hacia el oeste de BLT o una profundización preferencial de la termoclina más profunda frente a la haloclina menos profunda debido a la dinámica de la onda de Rossby (es decir, estas ondas favorecen el estiramiento vertical de la columna de agua superior). Durante El Niño, los vientos del oeste impulsan la piscina cálida hacia el este, lo que permite que el agua dulce fluya sobre el agua local más fría / salada / más densa hacia el este. Usando modelos acoplados, atmosféricos / oceánicos y ajustando la mezcla para eliminar BLT durante un año antes de El Niño, se demostró que la acumulación de calor asociada con la capa de barrera es un requisito para El Niño grande. Se ha demostrado que existe una estrecha relación entre SSS y SST en el Pacífico occidental y la capa de barrera es fundamental para mantener el calor y el impulso en la piscina cálida dentro de la capa estratificada de salinidad. Trabajos posteriores, incluidos los drifters de Argo, confirman la relación entre la migración hacia el este de la piscina cálida durante El Niño y el almacenamiento de calor de la capa de barrera en el Pacífico occidental. El principal impacto de la capa de barrera es mantener una capa mixta poco profunda que permite una mejor respuesta acoplada aire-mar. Además, BLT es el factor clave para establecer el estado medio que se perturba durante El Niño / La Niña.
Formación de capas mixtas limnológicas
La formación de una capa mixta en un lago es similar a la del océano, pero es más probable que la mezcla se produzca en los lagos únicamente debido a las propiedades moleculares del agua . El agua cambia de densidad a medida que cambia la temperatura. En los lagos, la estructura de la temperatura se complica por el hecho de que el agua dulce pesa más a 3,98 ° C (grados Celsius). Por lo tanto, en los lagos donde la superficie se enfría mucho, la capa de mezcla se extiende brevemente hasta el fondo en la primavera, a medida que la superficie se calienta, así como en el otoño, cuando la superficie se enfría. Este vuelco es a menudo importante para mantener la oxigenación de lagos muy profundos.
El estudio de la limnología abarca todos los cuerpos de agua continentales, incluidos los cuerpos de agua con sal. En los lagos y mares salinos (como el Mar Caspio), la formación de capas mixtas generalmente se comporta de manera similar al océano.
Formación de capas mixtas atmosféricas
La capa de mezcla atmosférica es el resultado de los movimientos de aire por convección , que normalmente se observan hacia la mitad del día, cuando el aire en la superficie se calienta y sube. Por tanto, se mezcla con la inestabilidad de Rayleigh-Taylor . El procedimiento estándar para determinar la profundidad de la capa mixta es examinar el perfil de temperatura potencial , la temperatura que tendría el aire si se llevara a la presión que se encuentra en la superficie sin ganar ni perder calor. Como tal aumento de presión implica comprimir el aire, la temperatura potencial es más alta que la temperatura in situ, y la diferencia aumenta a medida que se asciende en la atmósfera. La capa de mezcla atmosférica se define como una capa de temperatura potencial (aproximadamente) constante, o una capa en la que la temperatura desciende a una velocidad de aproximadamente 10 ° C / km, siempre que esté libre de nubes. Sin embargo, tal capa puede tener gradientes de humedad. Como es el caso de la capa mixta oceánica, las velocidades no serán constantes en toda la capa mixta atmosférica.
Referencias
- Mellor, GL; Durbin, PA (1975). "La estructura y dinámica de la capa mixta de la superficie del océano" . Revista de Oceanografía Física . 5 (4): 718–728. Bibcode : 1975JPO ..... 5..718M . doi : 10.1175 / 1520-0485 (1975) 005 <0718: TSADOT> 2.0.CO; 2 .
enlaces externos
- Nieve de efecto lago para un enlace a una imagen de la NASA del satélite SeaWiFS que muestra nubes en la capa mixta atmosférica.
- Consulte el sitio web de Climatología de profundidad de capas mixtas de Ifremer / Los en Redirection para tener acceso a datos, mapas y enlaces actualizados de Climatología de profundidad de capas mixtas oceánicas.
Otras lecturas
- Wallace, John Michael; Hobbs, Peter Victor (2006). Ciencia atmosférica: una encuesta introductoria (2ª ed.). Prensa académica. pag. 483. ISBN 9780127329512.