Especias (oceanografía)

Especia , picante o picanteidad , símbolo τ , es un término en oceanografía que se refiere a las variaciones en la temperatura y la salinidad del agua de mar en el espacio o el tiempo, cuyos efectos combinados dejan la densidad del agua sin cambios. Para una especia dada, cualquier cambio en la temperatura se compensa con un cambio en la salinidad para mantener la densidad sin cambios. Un aumento en la temperatura disminuye la densidad, pero un aumento en la salinidad la aumenta. Esta variabilidad termohalina compensada por la densidad es omnipresente en el océano superior. El agua más cálida y salada es más picante, mientras que el agua más fría y menos salada es más mentolada. ^[1] Para una relación de densidad de 1, toda la variabilidad termohalina es especiada y no hay fluctuaciones de densidad.

Descripción matemática

La densidad del agua de mar controla gran parte del movimiento del agua, o el flujo termohalino , en el océano. La densidad del agua de mar está determinada principalmente por la temperatura y la salinidad de esa agua. Los cambios en estos dos parámetros principales, la temperatura potencial Θ y la salinidad S, se multiplican por su coeficiente de expansión térmica o contracción halina iguales entre sí; y ambos son proporcionales a un cambio en la densidad y son ambos términos de la ecuación linealizada de estado del océano ( TEOS-10 ). Se supone que esta similitud es relevante para comprender las consecuencias de la mezcla del agua de mar. ^[2] ${\estilo de visualización \alpha}$ ${\estilo de visualización \beta}$ $\alpha d\Theta$ $\beta dS$

$\alpha d\Theta =\beta dS$

La densidad no cambia a lo largo de una isopicna . Sin embargo, al mezclarla, puede producirse un cambio en la temperatura y la salinidad. Por lo tanto, se introduce el picante como variable proporcional a la expansión térmica y la contracción halina. La integración de esta variable a lo largo de una isopicna conduce a la siguiente ecuación. ${\estilo de visualización \rho}$ ${\estilo de visualización \tau}$

$\int _{\rho }d\tau =\int _{\rho }\alpha d\Theta =\int _{\rho }\beta dS$

El picante podría describirse como el gradiente isotérmico de la densidad que es igual al gradiente isohalino de la densidad.

$\tau =2\int {\frac {d\rho }{dS}}|_{\Theta }\quad dS=-2\int {\frac {d\rho }{d\Theta }}|_{S}\,d\Theta$

El gradiente isopicnal de picante debe ser igual al gradiente isopicnal de temperatura y salinidad multiplicado por la derivada de la otra variable de la densidad.

$d\tau |_{\rho }=2\rho _{S}dS|_{\rho }=-2\rho _{\Theta }d\Theta |_{\rho }$

Otra implicación matemática de la existencia de una influencia del picante se manifiesta en un diagrama, donde la pendiente negativa de las isopletas es igual a la relación entre la derivada de la temperatura y la salinidad del picante. ^[3] $S,\Theta$

${\frac {dS}{d\Theta }}|_{\tau }=-{\frac {\tau _{\Theta }}{\tau _{S}}}$

Aplicaciones

Diagrama de densidad potencial de picante con las regiones estables e inestables mostradas.

El picante y la densidad potencial se representan gráficamente en la superficie. El picante (variación) es especialmente relevante cuando se observan isopicnas (por ejemplo, en las regiones polares). Los datos se prueban mediante ^[4]

Un propósito de introducir el picante es disminuir la cantidad de variables de estado necesarias; la densidad a profundidad constante es una función de la temperatura y la salinidad potenciales y, al utilizar ambas, se puede utilizar el picante. Si el objetivo es solo cuantificar la variación de las parcelas de agua a lo largo de las isopicnas, se puede utilizar en su lugar la variación en la salinidad absoluta o la temperatura porque brinda la misma información con la misma cantidad de variables. ^[3]

Otro objetivo es examinar cómo varía verticalmente la relación de estabilidad en una columna de agua. La relación de estabilidad es un número que determina la participación de los cambios de temperatura en relación con la participación de los cambios de salinidad en un perfil vertical, lo que proporciona información relevante sobre la estabilidad de la columna de agua: $R_{\rho }$

$R_{\rho }=(-\rho _{\Theta }\Theta _{z})/(\rho _{S}S_{z})$

La variación vertical de este número se muestra a menudo en un diagrama y/o gráfico de densidad de potencial picante, donde el ángulo muestra la estabilidad. ^[5]

Cálculo

El picante se puede calcular en varios lenguajes de programación con la caja de herramientas Gibbs SeaWater (GSW) . ^[6] Se utiliza para derivar propiedades termodinámicas del agua de mar y es adoptado por la Comisión Oceanográfica Intergubernamental (COI), la Asociación Internacional para las Ciencias Físicas de los Océanos (IAPSO) y el Comité Científico de Investigación Oceánica (SCOR). Utilizan la definición de picante (gsw_spiciness0(), gsw_spiciness1(), gsw_spiciness2() a 0, 1000 y 2000 dbar respectivamente) proporcionada por. ^[7] Estas isobaras se eligen porque corresponden a superficies de densidad potencial de uso común. Las áreas con densidad constante pero diferente picante tienen un flujo neto de agua de calor y salinidad debido a la difusión.

Desacuerdos

La definición exacta de picante es objeto de debate. En concreto, la ortogonalidad de la densidad con el picante y el factor de escala utilizado de temperatura potencial y salinidad. McDougall ^[3] afirma que no se debería imponer la ortogonalidad porque:

No hay ninguna razón física para imponer la ortogonalidad.
La imposición de la ortogonalidad "dependería necesariamente de un factor de escala arbitrario de los ejes de salinidad y temperatura". En otras palabras, el picante tendría significados diferentes para diferentes factores de escala (seleccionados).
El significado del picante cambia con la densidad. Como resultado, el picante puede ser útil solo en pequeñas extensiones verticales en la capa superficial. ^[5]

La Comisión Oceanográfica Intergubernamental (COI), la Asociación Internacional para las Ciencias Físicas de los Océanos (IAPSO) y el Comité Científico de Investigaciones Oceánicas (SCOR) adoptaron la recomendación McDougall ^{[7] debido a su implementación del criterio de picante en el TEOS-10.}^[6]

Huang ^[8] afirma que el sistema ortogonal es superior al sistema no ortogonal porque las coordenadas pueden considerarse independientes y las distancias entre puntos pueden calcularse más fácilmente.

McDougall ^[3] recomendó que no se utilizara el picante, sino que se utilizara la variación de la salinidad para diferenciar entre las parcelas de agua isopicna y el índice de estabilidad en las columnas de agua verticales para determinar la estabilidad. $R_{\rho }$

Referencias

^ "Las especias y el demonio".
^ Jackett, David R (1985). "Una variable oceanográfica para la caracterización de intrusiones y masas de agua". Investigación en aguas profundas, parte A. Documentos de investigación oceanográfica . 32 (10): 1195–1207. Código Bibliográfico :1985DSRA...32.1195J. doi :10.1016/0198-0149(85)90003-2.
^ abcd McDougall, Trevor J; Barker, Paul M (2021). "Variables de las especias y su uso en la oceanografía física". Revista de investigación geofísica: océanos . 123 (2): 7351–7365. Código Bibliográfico :2021JGRC..12615936M. doi :10.1029/2019JC015936. S2CID 234024281.
^ "Sistema mundial de asimilación de datos oceánicos (GODAS) del NCEP". PSL . Consultado el 24 de marzo de 2022 .
^ ab Flament, P (2002). "Una variable de estado para caracterizar masas de agua y su estabilidad difusiva: Spiciness". Progreso en Oceanografía . 54 (1–4): 493–501. Bibcode :2002PrOce..54..493F. doi :10.1016/S0079-6611(02)00065-4.
^ ab "La caja de herramientas oceanográficas de agua de mar de Gibbs (GSW) de Teos". La caja de herramientas oceanográficas de agua de mar de Gibbs (GSW) de TEOS-10 . Consultado el 24 de marzo de 2022 .
^ ab McDougall, Trevor J; Krzysik, Oliver A (2015). "Picante". Revista de investigación marina . 73 (5): 141–152. doi :10.1357/002224015816665589.
^ Huang, Rui Xin; Yu, Lu-Sha (2018). "Nueva definición de potencial picante por el método de mínimos cuadrados". Revista de investigación geofísica: océanos . 123 (10): 7351–7365. Bibcode :2018JGRC..123.7351H. doi :10.1029/2018JC014306. hdl : 1912/10787 . S2CID 135052210.