Circulación de Langmuir

Serie de vórtices lentos, poco profundos y contrarrotativos en la superficie del océano alineados con el viento.

Circulación de Langmuir

Las rayas blancas en esta laguna se deben a la circulación de Langmuir.

Estas líneas de sargazo pueden extenderse por kilómetros a lo largo de la superficie. Los grupos de algas flotantes a menudo se concentran por los fuertes vientos y la acción de las olas asociadas con la Corriente del Golfo .

En oceanografía física , la circulación de Langmuir consiste en una serie de vórtices lentos, poco profundos y contrarrotativos en la superficie del océano alineados con el viento. Estas circulaciones se desarrollan cuando el viento sopla de manera constante sobre la superficie del mar. Irving Langmuir descubrió este fenómeno después de observar hileras de algas en el Mar de los Sargazos en 1927. ^[1] Las circulaciones de Langmuir circulan dentro de la capa mixta ; sin embargo, todavía no está tan claro con qué fuerza pueden provocar la mezcla en la base de la capa mezclada.^[2]

Teoría

La fuerza impulsora de estas circulaciones es una interacción del flujo medio con los flujos promediados de las ondas superficiales.La velocidad de deriva de las olas de Stokes estira e inclina la vorticidad del flujo cerca de la superficie. La producción de vorticidad en la parte superior del océano se equilibra con la difusión descendente (a menudo turbulenta) . Para un flujo impulsado por un viento caracterizado por una velocidad de fricción , la relación entre difusión y producción de vorticidad define el número de Langmuir ^[2] ${\displaystyle \nu _{T}}$ ${\displaystyle \tau }$ ${\displaystyle u_{*}}$

$${\displaystyle \mathrm {La} ={\sqrt {\frac {\nu _{T}^{3}k^{6}}{\sigma a^{2}u_{*}^{2}k^{4}}}}~{\text{ or }}~{\sqrt {\frac {\nu _{T}^{3}\beta ^{6}}{u_{*}^{2}S_{0}\beta ^{3}}}}}$$

ecuaciones de Craik-Leibovich ^[3]media lagrangiana^{[4] [5]}aproximación de Boussinesq ${\displaystyle a}$ ${\displaystyle \sigma }$ ${\displaystyle k}$ ${\displaystyle \beta }$ ${\displaystyle S_{0}}$

$${\displaystyle {\frac {\partial u_{i}}{\partial t}}+u_{j}\,\nabla _{j}u_{i}=-2\varepsilon _{ijk}\Omega _{j}(u_{k}^{s}+u_{k})-\nabla _{i}\left({\frac {P}{\rho _{0}}}+{\frac {1}{2}}u_{j}^{s}u_{j}^{s}+u_{j}^{s}u_{j}\right)+\varepsilon _{ijk}u_{j}^{s}\varepsilon _{k\ell m}\,\nabla _{\ell }u_{m}+g_{i}{\frac {\rho }{\rho _{0}}}+\nabla _{j}\nu \,\nabla _{j}u_{i}}$$

$${\displaystyle \nabla _{i}u_{i}=0}$$

$${\displaystyle {\frac {\partial \rho }{\partial t}}+u_{j}\,\nabla _{j}\rho =\nabla _{i}\kappa \,\nabla _{i}\rho }$$

• ${\displaystyle u_{i}}$es la velocidad del fluido,
• ${\displaystyle \Omega }$es la rotación planetaria,
• ${\displaystyle u_{i}^{s}}$es la velocidad de deriva de Stokes del campo de ondas superficiales,
• ${\displaystyle P}$es la presión,
• ${\displaystyle g_{i}}$es la aceleración debida a la gravedad,
• ${\displaystyle \rho }$es la densidad,
• ${\displaystyle \rho _{0}}$es la densidad de referencia,
• ${\displaystyle \nu }$es la viscosidad, y
• ${\displaystyle \kappa }$es la difusividad.

En condiciones de océano abierto, donde puede que no haya una escala de longitud dominante que controle la escala de las células de Langmuir, se avanza el concepto de turbulencia de Langmuir . ^[6]

Observaciones

Se ha observado que la circulación está entre 0° y 20° a la derecha del viento en el hemisferio norte ^[7] y la hélice forma bandas de divergencia y convergencia en la superficie. En las zonas de convergencia, comúnmente hay concentraciones de algas, espuma y escombros flotantes a lo largo de estas bandas. A lo largo de estas zonas divergentes, la superficie del océano suele estar libre de desechos, ya que las corrientes divergentes fuerzan el material fuera de esta zona hacia zonas convergentes adyacentes. En la superficie, la circulación establecerá una corriente desde la zona de divergencia hacia la zona de convergencia y el espacio entre estas zonas es del orden de 1 a 300 m (3 a 1000 pies). Debajo de las zonas de convergencia se forman chorros estrechos de flujo descendente y la magnitud de la corriente será comparable al flujo horizontal. La propagación descendente normalmente será del orden de metros o décimas de metros y no penetrará la picnoclina . El afloramiento es menos intenso y se produce en una banda más amplia bajo la zona de divergencia. En velocidades del viento que oscilan entre 2 y 12 m/s (6,6 y 39,4 pies/s), la velocidad vertical máxima osciló entre 2 y 10 cm/s (0,79 y 3,94 pulgadas/s) con una relación entre las velocidades descendentes y del viento que oscilan de −0,0025 a −0,0085.^[8]

efectos biológicos

Mayor velocidad de barlovento en zonas convergentes de células de Langmuir

Las circulaciones de Langmuir (LC), que son vórtices cilíndricos contrarrotativos en la parte superior del océano, tienen un papel importante en la mezcla vertical. Aunque son transitorios y su fuerza y ​​dirección dependen de las propiedades del viento y las olas, facilitan la mezcla de nutrientes y afectan la distribución de organismos marinos como el plancton en la capa mixta superior del océano. ^{[9] [10] Los} vórtices giratorios generados por el viento crean regiones donde organismos de diferente flotabilidad , orientación y comportamiento de natación pueden agregarse, lo que resulta en parches. ^[11] De hecho, la LC puede producir una agregación significativa de algas durante eventos como la marea roja . ^[10] Teóricamente, el tamaño de LC aumenta con la velocidad del viento a menos que esté limitado por discontinuidades de densidad por picnoclina . Pero la visibilidad de los efectos superficiales del LC podría verse limitada por las olas rompientes durante los fuertes vientos que dispersan los materiales presentes en la superficie. ^[12] Por lo tanto, es más probable que los efectos superficiales de LC sean visibles durante vientos más fuertes que la velocidad crítica del viento de 3 m/s, pero no demasiado fuertes.

Vectores PIV de vórtices contrarrotativos

Además, estudios previos han demostrado que los organismos y materiales pueden agregarse en diferentes regiones dentro de LC, como la corriente de surgencia en la zona convergente, la corriente de surgencia en la zona divergente, la zona de retención en el vórtice de LC y la región entre las zonas de surgencia y descendente. ^[13] De manera similar, se ha descubierto que los LC tienen una mayor corriente superficial a barlovento en zonas convergentes debido al flujo en forma de chorro. Esta región convergente de movimiento más rápido en la superficie del agua puede mejorar el transporte de organismos y materiales en la dirección del viento.

Efecto sobre las plantas

Distribución de partículas dentro de las células de Langmuir.

En 1927, Langmuir vio las filas organizadas de Sargassum natans mientras cruzaba el Mar de los Sargazos en el Océano Atlántico . A diferencia de los nadadores activos, como los animales y el zooplancton, las plantas y el fitoplancton suelen ser cuerpos pasivos en el agua y su agregación está determinada por el comportamiento del flujo. En hileras, los organismos planctónicos concentrados colorean el agua e indican la presencia de LC. Se ha observado una mayor variabilidad en los arrastres de plancton recolectados a lo largo de la dirección del viento que en las muestras recolectadas perpendicularmente al viento. ^[14] Y una de las razones de tal variación podría deberse a LC que resulta en convergencia (muestra alta) o entre zonas (muestra baja) en el remolque a lo largo del viento. ^[15] De manera similar, este efecto convergente de LC también se ha observado como una zona alta de clorofila a aproximadamente 100 m en Lake Tahoe , lo que podría deberse al remolque oblicuo a través de LC. ^[16] Además, los sargazos son transportados desde la superficie al bentos en la zona de descenso de LC y pueden perder flotabilidad después de hundirse a una profundidad durante suficiente tiempo. ^[17] Algunas de las plantas que generalmente se observan flotando en el agua podrían quedar sumergidas durante condiciones de viento fuerte debido a la corriente descendente de LC. Además, la LC también podría provocar la formación de parches de dinoflagelados positivamente flotantes (incluidos los organismos tóxicos de la marea roja ) durante las floraciones. ^[18] Además, se ha observado que los fitoplancteres de flotabilidad negativa que se hundirían lentamente en aguas tranquilas quedan retenidos en la zona eufótica , lo que puede deberse a la suspensión creada por las células de convección vertical. ^{[19] [20]}

Además, un estudio más amplio sobre las supercélulas de Langmuir en las que la circulación puede llegar al fondo marino observó la agregación de macroalgas Colpomenia sp. en el fondo marino de aguas poco profundas (~5 m) en Great Bahama Bank debido a la velocidad del viento local de alrededor de 8 a 13 m/s. ^[21] Dicho LC podría ser responsable del transporte de biomasa de carbono desde aguas poco profundas hasta aguas profundas . Este efecto fue evidente ya que se descubrió que la concentración de algas se reducía drásticamente después de la aparición de LC, como se observa en las imágenes satelitales de color del océano ( NASA ) durante el período del estudio. Esta agregación de macroalgas con flotabilidad negativa en el fondo del mar es similar a las hileras de partículas con flotabilidad positiva en la superficie del agua debido a la LC.

Efecto sobre los animales

Mientras que las plantas tienen una reacción pasiva a la LC, los animales pueden reaccionar tanto a la LC, como a la presencia de agregación de plantas/alimentos y a la luz. Una de esas observaciones fue la adaptación de Physalia a hileras que contienen sargazo enredado . Physalia tiende a desplazarse a través de las hileras , lo que también aumentó la disponibilidad de alimento o zooplancter en zonas divergentes. ^[22]

Además, estudios realizados en el lago Mendota han demostrado una buena correlación entre la concentración de Daphnia pulex y la aparición de líneas de espuma. De manera similar, se observaron diferencias significativas en las capturas de Daphnia hyaline cuando se tomaron muestras dentro y fuera de las líneas de espuma en el lago de Gales del Sur, apareciendo un mayor número en la zona divergente. ^[23] Esta distribución de partículas y animales se puede describir utilizando un modelo matemático desarrollado por Stommel que sugería un área de retención en la zona de afloramiento para las partículas que se hunden y en la zona de descendente para las partículas que flotan positivamente. ^[15] En realidad, el zooplancton podría quedar atrapado en zonas de surgencia hasta el punto en que los animales sean estimulados a nadar hacia abajo. ^[24] Posteriormente, Stavn desarrolló un modelo más detallado que describe la agregación de zooplancton donde la orientación del animal, la reacción de la luz dorsal y la velocidad de la corriente determinaron su región de concentración, ya sea en la surgencia (debido a una corriente lenta), la surgencia (debido a una corriente alta) y entre las dos últimas zonas (debido a corrientes intermedias). ^[11] Ha habido mejoras adicionales en tales modelos, como la modificación del modelo de Stommel por parte de Titman y Kilham para considerar la diferencia en las velocidades máximas de surgencia y descendente ^[25] y por Evans y Taylor que discutieron la inestabilidad de las regiones de Stommel debido a variando la velocidad de nado con la profundidad, lo que produjo trayectorias en espiral que afectaron la región de acumulación. ^[10]

Sin embargo, la alta concentración de organismos planctónicos dentro de LC puede atraer aves y peces. Se observaron bancos de lubina blanca Roccus chrysops alimentándose de Daphnia a lo largo de la pista de espuma. ^[26] Por el contrario, se observó que los flamencos menores Phoeniconaias minor se alimentaban de líneas de burbujas que contenían algas verdiazules concentradas . ^[27] De manera similar, se encontró que las medusas se agregaban en un patrón lineal (espaciado promedio de 129 m) paralelo al viento en el Mar de Bering, lo que podría deberse a grandes LC. ^[12] Tal agregación puede afectar la alimentación y la depredación de las medusas .

Efecto sobre la tensión superficial

La alta concentración de tensioactivos (sustancias tensioactivas) producidas por el fitoplancton puede provocar un mayor estrés de Marangoni en las regiones convergentes de LC. La simulación numérica sugiere que dicho estrés de Marangoni debido al surfactante puede aumentar el tamaño de las estructuras de vórtice, la velocidad vertical y la remezcla de agua y componentes biológicos/químicos en la región local en comparación con aquella sin surfactante. ^[28]

Finalmente, se necesitan más investigaciones teóricas y experimentales para confirmar la importancia de la LC.

Referencias

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enlaces externos

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