Transporte Ekman

Transporte neto de agua superficial perpendicular a la dirección del viento

El transporte de Ekman es el movimiento neto de un fluido como resultado de un equilibrio entre las fuerzas de arrastre de Coriolis y turbulentas. En la imagen de arriba, el viento que sopla hacia el norte en el hemisferio norte crea una tensión superficial y, como resultado, se encuentra una espiral de Ekman debajo de él en la columna de agua .

El transporte de Ekman es parte de la teoría del movimiento de Ekman, investigada por primera vez en 1902 por Vagn Walfrid Ekman . Los vientos son la principal fuente de energía para la circulación oceánica, y el transporte de Ekman es un componente de la corriente oceánica impulsada por el viento. ^[1] El transporte de Ekman ocurre cuando las aguas superficiales del océano se ven influenciadas por la fuerza de fricción que actúa sobre ellas a través del viento. A medida que el viento sopla, arroja una fuerza de fricción sobre la superficie del océano que arrastra los 10-100 m superiores de la columna de agua con él. ^[2] Sin embargo, debido a la influencia del efecto Coriolis , el agua del océano se mueve en un ángulo de 90° con respecto a la dirección del viento superficial. ^[2] La dirección del transporte depende del hemisferio: en el hemisferio norte , el transporte ocurre a 90° en el sentido de las agujas del reloj con respecto a la dirección del viento, mientras que en el hemisferio sur ocurre a 90° en el sentido contrario a las agujas del reloj. ^[3] Este fenómeno fue observado por primera vez por Fridtjof Nansen , quien registró que el transporte de hielo parecía ocurrir en un ángulo con respecto a la dirección del viento durante su expedición al Ártico de la década de 1890. ^[4] El transporte de Ekman tiene impactos significativos en las propiedades biogeoquímicas de los océanos del mundo. Esto se debe a que conduce a afloramientos (succión de Ekman) y hundimientos (bombeo de Ekman) para obedecer las leyes de conservación de masa. La conservación de masa, en referencia a la transferencia de Ekman, requiere que cualquier agua desplazada dentro de un área debe ser repuesta. Esto puede hacerse mediante succión de Ekman o bombeo de Ekman dependiendo de los patrones de viento. ^[1]

Teoría

La teoría de Ekman explica el estado teórico de la circulación si las corrientes de agua fueran impulsadas únicamente por la transferencia de momento del viento. En el mundo físico, esto es difícil de observar debido a las influencias de muchas fuerzas impulsoras de corriente simultáneas (por ejemplo, gradientes de presión y densidad ). Aunque la siguiente teoría se aplica técnicamente a la situación idealizada que involucra únicamente fuerzas del viento, el movimiento de Ekman describe la parte de la circulación impulsada por el viento que se observa en la capa superficial. ^{[5] [6]}

Las corrientes superficiales fluyen en un ángulo de 45° con respecto al viento debido a un equilibrio entre la fuerza de Coriolis y los arrastres generados por el viento y el agua. ^[7] Si el océano se divide verticalmente en capas delgadas, la magnitud de la velocidad (la rapidez) disminuye desde un máximo en la superficie hasta que se disipa. La dirección también cambia ligeramente a través de cada capa posterior (derecha en el hemisferio norte e izquierda en el hemisferio sur). Esto se llama espiral de Ekman . ^[8] La capa de agua desde la superficie hasta el punto de disipación de esta espiral se conoce como capa de Ekman . Si se integra todo el flujo sobre la capa de Ekman, el transporte neto se realiza a 90° a la derecha (izquierda) del viento superficial en el hemisferio norte (sur). ^[3]

Mecanismos

Existen tres patrones de viento principales que dan lugar a la succión o bombeo de Ekman. Los primeros son patrones de viento que son paralelos a la costa. ^[1] Debido al efecto Coriolis , el agua superficial se mueve en un ángulo de 90° con respecto a la corriente de viento. Si el viento se mueve en una dirección que hace que el agua se aleje de la costa, se producirá la succión de Ekman. ^[1] Por otro lado, si el viento se mueve de tal manera que las aguas superficiales se mueven hacia la costa, se producirá el bombeo de Ekman. ^[1]

El segundo mecanismo de las corrientes de viento que da lugar a la transferencia de Ekman son los vientos alisios, tanto al norte como al sur del ecuador, que arrastran las aguas superficiales hacia los polos. ^[1] Hay una gran succión de Ekman ascendente en el ecuador porque el agua es atraída hacia el norte (al norte del ecuador) y hacia el sur (al sur del ecuador). Esto provoca una divergencia en el agua, lo que da lugar a la succión de Ekman y, por tanto, a la surgencia. ^[9]

El tercer patrón de viento que influye en la transferencia de Ekman son los patrones de viento a gran escala en el océano abierto. ^[1] La circulación del viento en el océano abierto puede dar lugar a estructuras similares a giros de agua acumulada en la superficie del mar, lo que da lugar a gradientes horizontales de la altura de la superficie del mar. ^[1] Esta acumulación de agua hace que el agua tenga un flujo descendente y succión, debido a la gravedad y al equilibrio de masa. El bombeo de Ekman hacia abajo en el océano central es una consecuencia de esta convergencia de agua. ^[1]

Succión Ekman

La succión de Ekman es el componente del transporte de Ekman que da lugar a zonas de afloramiento debido a la divergencia del agua. ^[9] Volviendo al concepto de conservación de la masa, toda el agua desplazada por el transporte de Ekman debe reponerse. A medida que el agua diverge, crea espacio y actúa como una succión para llenar el espacio al atraer o hacer aflorar agua de las profundidades marinas hacia la zona eufótica. ^[9]

La succión de Ekman tiene consecuencias importantes para los procesos biogeoquímicos de la zona porque provoca afloramientos. Los afloramientos transportan agua de aguas profundas frías y ricas en nutrientes a la zona eufótica, lo que promueve la proliferación de fitoplancton y da inicio a un entorno extremadamente productivo. ^[10] Las áreas de afloramientos favorecen la pesca; de hecho, casi la mitad de la captura mundial de peces proviene de áreas de afloramientos. ^[11]

La succión de Ekman se produce tanto a lo largo de las costas como en el océano abierto, pero también a lo largo del ecuador. A lo largo de la costa del Pacífico de California, América Central y Perú, así como a lo largo de la costa atlántica de África, hay áreas de afloramiento debido a la succión de Ekman, a medida que las corrientes se mueven hacia el ecuador. ^[1] Debido al efecto Coriolis, el agua superficial se mueve 90° a la izquierda (en el hemisferio sur, a medida que viaja hacia el ecuador) de la corriente de viento, lo que hace que el agua se desvíe del límite costero, lo que lleva a la succión de Ekman. Además, hay áreas de afloramiento como consecuencia de la succión de Ekman donde los vientos polares del este se encuentran con los vientos del oeste en las regiones subpolares al norte de los subtrópicos, así como donde los vientos alisios del noreste se encuentran con los vientos alisios del sureste a lo largo del ecuador. ^[1] De manera similar, debido al efecto Coriolis, el agua superficial se mueve 90° hacia la izquierda (en el hemisferio sur) de las corrientes de viento, y diverge a lo largo de estos límites, lo que resulta en un afloramiento para conservar la masa.

Bombeo de Ekman

El bombeo de Ekman es el componente del transporte de Ekman que genera áreas de afloramiento debido a la convergencia del agua. ^[9] Como se mencionó anteriormente, el concepto de conservación de la masa requiere que una acumulación de agua superficial sea empujada hacia abajo. Esta acumulación de agua superficial cálida y pobre en nutrientes se bombea verticalmente hacia abajo en la columna de agua, lo que genera áreas de afloramiento. ^[1]

El bombeo de Ekman tiene efectos dramáticos en los entornos circundantes. El hundimiento, debido al bombeo de Ekman, produce aguas pobres en nutrientes, lo que reduce la productividad biológica de la zona. ^[11] Además, transporta calor y oxígeno disuelto verticalmente por la columna de agua a medida que el agua superficial cálida y rica en oxígeno se bombea hacia las aguas profundas del océano. ^[11]

El bombeo de Ekman se puede encontrar a lo largo de las costas, así como en el océano abierto. A lo largo de la costa del Pacífico en el hemisferio sur, los vientos del norte se mueven paralelos a la línea de costa. ^[1] Debido al efecto Coriolis, el agua superficial es arrastrada 90° a la izquierda de la corriente de viento, lo que hace que el agua converja a lo largo del límite costero, lo que da lugar al bombeo de Ekman. En el océano abierto, el bombeo de Ekman se produce con giros. ^[1] Específicamente, en los subtrópicos, entre 20°N y 50°N, hay bombeo de Ekman a medida que los vientos alisios cambian a vientos del oeste, lo que provoca una acumulación de agua superficial. ^[1]

Derivación matemática

Para simplificar el proceso hasta el punto en que sea solucionable, es necesario hacer algunas suposiciones sobre la dinámica de fluidos que interviene en el proceso. Las suposiciones que hizo Ekman fueron: ^[12]

• sin límites;
• agua infinitamente profunda;
• La viscosidad de remolino , es constante (esto solo es cierto para el flujo laminar. En la capa límite atmosférica y oceánica turbulenta es una función importante de la profundidad); ${\displaystyle A_{z}\,\!}$
• La fuerza del viento es constante y ha estado soplando durante mucho tiempo;
• condiciones barotrópicas sin flujo geostrófico;
• El parámetro de Coriolis se mantiene constante. ${\displaystyle f\,\!}$

Las ecuaciones simplificadas para la fuerza de Coriolis en las direcciones x e y se derivan de estas suposiciones:

(1)  ${\displaystyle {\frac {1}{\rho }}{\frac {\partial \tau _{x}}{\partial z}}=-fv,\,}$

(2)  ${\displaystyle {\frac {1}{\rho }}{\frac {\partial \tau _{y}}{\partial z}}=fu,\,}$

donde es la tensión del viento , es la densidad, es la velocidad este-oeste y es la velocidad norte-sur. ${\displaystyle \tau \,\!}$ ${\displaystyle \rho \,\!}$ ${\displaystyle u\,\!}$ ${\displaystyle v\,\!}$

Integrando cada ecuación sobre toda la capa de Ekman:

${\displaystyle \tau _{x}=-M_{y}f,\,}$

${\displaystyle \tau _{y}=M_{x}f,\,}$

dónde

${\displaystyle M_{x}=\int _{0}^{z}\rho udz,\,}$

${\displaystyle M_{y}=\int _{0}^{z}\rho vdz.\,}$

Aquí y representan los términos de transporte de masa zonal y meridional con unidades de masa por unidad de tiempo por unidad de longitud. Contrariamente a la lógica común, los vientos norte-sur causan transporte de masa en dirección este-oeste. ^[13] ${\displaystyle M_{x}\,\!}$ ${\displaystyle M_{y}\,\!}$

Para comprender la estructura de velocidad vertical de la columna de agua, las ecuaciones 1 y 2 pueden reescribirse en términos del término de viscosidad de remolino vertical.

${\displaystyle {\frac {\partial \tau _{x}}{\partial z}}=\rho A_{z}{\frac {\partial ^{2}u}{\partial z^{2}}},\,\!}$

${\displaystyle {\frac {\partial \tau _{y}}{\partial z}}=\rho A_{z}{\frac {\partial ^{2}v}{\partial z^{2}}},\,\!}$

donde es el coeficiente de viscosidad de remolino vertical. ${\displaystyle A_{z}\,\!}$

Esto da un conjunto de ecuaciones diferenciales de la forma

${\displaystyle A_{z}{\frac {\partial ^{2}u}{\partial z^{2}}}=-fv,\,\!}$

${\displaystyle A_{z}{\frac {\partial ^{2}v}{\partial z^{2}}}=fu.\,\!}$

Para resolver este sistema de dos ecuaciones diferenciales, se pueden aplicar dos condiciones de borde:

• ${\displaystyle {(u,v)\to 0}}$como ${\displaystyle {z\to -\infty },}$
• La fricción es igual a la tensión del viento en la superficie libre ( ). ${\displaystyle z=0\,\!}$

Las cosas se pueden simplificar aún más considerando el viento que sopla en la dirección y solamente. Esto significa que los resultados serán relativos a un viento norte-sur (aunque estas soluciones podrían producirse en relación con el viento en cualquier otra dirección): ^[14]

(3)  ${\displaystyle {\begin{aligned}u_{E}&=\pm V_{0}\cos \left({\frac {\pi }{4}}+{\frac {\pi }{D_{E}}}z\right)\exp \left({\frac {\pi }{D_{E}}}z\right),\\v_{E}&=V_{0}\sin \left({\frac {\pi }{4}}+{\frac {\pi }{D_{E}}}z\right)\exp \left({\frac {\pi }{D_{E}}}z\right),\end{aligned}}}$

dónde

• ${\displaystyle u_{E}\,\!}$y representan el transporte de Ekman en la dirección u y v ; ${\displaystyle v_{E}\,\!}$
• en la ecuación 3 el signo más se aplica al hemisferio norte y el signo menos al hemisferio sur;
• ${\displaystyle V_{0}={\frac {{\sqrt {2}}\pi \tau _{y\eta }}{D_{E}\rho |f|}};\,\!}$
• ${\displaystyle \tau _{y\eta }\,\!}$es la tensión del viento en la superficie del mar;
• ${\displaystyle D_{E}=\pi \left({\frac {2A_{z}}{|f|}}\right)^{1/2}\,\!}$es la profundidad de Ekman (profundidad de la capa de Ekman).

Al resolver esto en z = 0, se descubre que la corriente superficial está (como se esperaba) 45 grados a la derecha (izquierda) del viento en el hemisferio norte (sur). Esto también da la forma esperada de la espiral de Ekman, tanto en magnitud como en dirección. ^[14] La integración de estas ecuaciones sobre la capa de Ekman muestra que el término de transporte neto de Ekman está 90 grados a la derecha (izquierda) del viento en el hemisferio norte (sur).

Aplicaciones

• El transporte de Ekman conduce a la surgencia costera , que proporciona el suministro de nutrientes para algunos de los mercados pesqueros más grandes del planeta ^[15] y puede afectar la estabilidad de la capa de hielo antártica al atraer agua profunda cálida hacia la plataforma continental. ^{[16] [17]} El viento en estos regímenes sopla paralelo a la costa (como a lo largo de la costa de Perú , donde el viento sopla desde el sureste, y también en California , donde sopla desde el noroeste). Debido al transporte de Ekman, el agua superficial tiene un movimiento neto de 90° a la derecha de la dirección del viento en el hemisferio norte (a la izquierda en el hemisferio sur). Debido a que el agua superficial fluye lejos de la costa, el agua debe ser reemplazada con agua desde abajo. ^[18] En aguas costeras poco profundas, la espiral de Ekman normalmente no está completamente formada y los eventos de viento que causan episodios de surgencia suelen ser bastante cortos. Esto conduce a muchas variaciones en la extensión de la surgencia, pero las ideas siguen siendo generalmente aplicables. ^[19]
• El transporte de Ekman funciona de manera similar en el afloramiento ecuatorial , donde, en ambos hemisferios, un componente de vientos alisios hacia el oeste provoca un transporte neto de agua hacia el polo, y un componente de vientos alisios hacia el este provoca un transporte neto de agua lejos del polo. ^[15]
• En escalas más pequeñas, los vientos ciclónicos inducen el transporte de Ekman, que causa divergencia neta y afloramiento, o succión de Ekman, ^[15] mientras que los vientos anticiclónicos causan convergencia neta y afloramiento, o bombeo de Ekman ^[20].
• El transporte de Ekman también es un factor en la circulación de los giros oceánicos y las manchas de basura . El transporte de Ekman hace que el agua fluya hacia el centro del giro en todos los lugares, creando una superficie marina inclinada e iniciando el flujo geostrófico (Colling p. 65). Harald Sverdrup aplicó el transporte de Ekman incluyendo fuerzas de gradiente de presión para desarrollar una teoría para esto (ver balance de Sverdrup ). ^[20]

Véase también

• Portal de los océanos

• Capa de Ekman  : capa de equilibrio de fuerzas en un líquido
• Número de Ekman  : relación adimensional entre las fuerzas viscosas y las fuerzas de Coriolis
• Velocidad de Ekman  : fórmula para la velocidad de la corriente de agua inducida por el viento
• Espiral de Ekman  : perfil de velocidad de la corriente impulsada por el viento en función de la profundidad
• Surgencia  : fenómeno oceanográfico del movimiento del agua del océano impulsado por el viento.
• Vagn Walfrid Ekman  - oceanógrafo sueco (1874-1954)

Notas

1. Sarmiento, Jorge L.; Gruber, Nicolas (2006). Dinámica biogeoquímica oceánica . Princeton University Press. ISBN 978-0-691-01707-5.
2. Emerson, Steven R.; Hedges, John I. (2017). Oceanografía química y el ciclo del carbono marino . Nueva York, Estados Unidos de América: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-83313-4.
3. Colling, págs. 42-44
4. Pond y Pickard, pág. 101
5. Colling pág. 44
6. Sverdrup pág. 228
7. Mann y Lazier pág. 169
8. Knauss pág. 124.
9. Emerson, Steven R.; Hedges, John I. (2017). Oceanografía química y el ciclo del carbono marino . Nueva York, Estados Unidos de América: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-83313-4.
10. Miller, Charles B.; Wheeler, Patricia A. (21 de mayo de 2012). Oceanografía biológica (segunda edición). Wiley-Blackwell. ISBN 978-1-4443-3302-2.
11. Lindstrom, Eric J. "Movimiento oceánico: Definición: Corrientes superficiales impulsadas por el viento: afloramiento y hundimiento". oceanmotion.org .
12. Estanque y Pickard pág. 106
13. Knauss pág. 123
14. Pond y Pickard pág. 108
15. Knauss pág. 125
16. Anderson, RF; Ali, S.; Bradtmiller, LI; Nielsen, SHH; Fleisher, MQ; Anderson, BE; Burckle, LH (13 de marzo de 2009). "Afloramiento impulsado por el viento en el océano Austral y aumento deglacial del CO2 atmosférico". Science . 323 (5920): 1443–1448. Bibcode :2009Sci...323.1443A. doi :10.1126/science.1167441. ISSN  0036-8075. PMID  19286547. S2CID  206517043.
17. Greene, Chad A.; Blankenship, Donald D.; Gwyther, David E.; Silvano, Alessandro; Wijk, Esmee van (1 de noviembre de 2017). "El viento provoca el derretimiento y la aceleración de la plataforma de hielo Totten". Science Advances . 3 (11): e1701681. Bibcode :2017SciA....3E1681G. doi :10.1126/sciadv.1701681. ISSN  2375-2548. PMC 5665591 . PMID  29109976. 
18. Mann y Lazier pág. 172
19. Colling pág. 43
20. Pond y Pickard pág. 295

Referencias

• Colling, A., Circulación oceánica , Equipo del curso de la Universidad Abierta. Segunda edición. 2001. ISBN 978-0-7506-5278-0 
• Emerson, Steven R.; Hedges, John I. (2017). Oceanografía química y el ciclo del carbono marino . Nueva York, Estados Unidos de América: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-83313-4 . 
• Knauss, JA, Introducción a la oceanografía física , Waveland Press. Segunda edición. 2005. ISBN 978-1-57766-429-1 
• Lindstrom, Eric J. "Movimiento oceánico: Definición: Corrientes superficiales impulsadas por el viento: afloramiento y hundimiento". oceanmotion.org.
• Mann, KH y Lazier JR, Dinámica de los ecosistemas marinos , Blackwell Publishing. Tercera edición. 2006. ISBN 978-1-4051-1118-8 
• Miller, Charles B.; Wheeler, Patricia A. Oceanografía biológica (segunda edición). Wiley-Blackwell. ISBN 978-1-4443-3302-2 . 
• Pond, S. y Pickard, GL, Introducción a la oceanografía dinámica , Pergamon Press. Segunda edición. 1983. ISBN 978-0-08-028728-7 
• Sarmiento, Jorge L.; Gruber, Nicolas (2006). Dinámica biogeoquímica oceánica . Princeton University Press. ISBN 978-0-691-01707-5 . 
• Sverdrup, KA, Duxbury, AC, Duxbury, AB, Introducción a los océanos del mundo , McGraw-Hill, octava edición, 2005. ISBN 978-0-07-294555-3 

Enlaces externos

• ¿Qué es Ekman Transport?