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La estratificación en el agua es la formación en una masa de agua de capas relativamente distintas y estables por densidad . Ocurre en todos los cuerpos de agua donde hay una variación estable de densidad con la profundidad. La estratificación es una barrera a la mezcla vertical del agua, lo que afecta el intercambio de calor, carbono, oxígeno y nutrientes. [1] Las corrientes ascendentes y descendentes de aguas abiertas impulsadas por el viento pueden inducir la mezcla de diferentes capas a través de la estratificación y forzar el ascenso de agua más densa, fría, rica en nutrientes o salina y el hundimiento de agua más ligera, cálida o más fresca, respectivamente. Las capas se basan en la densidad del agua: el agua más densa permanece debajo del agua menos densa en una estratificación estable en ausencia de mezcla forzada.
La estratificación se produce en varios tipos de masas de agua, como océanos , lagos , estuarios , cuevas inundadas, acuíferos y algunos ríos.
La fuerza impulsora de la estratificación es la gravedad , que clasifica volúmenes arbitrarios de agua adyacentes según la densidad local, actuando sobre ellos según la flotabilidad y el peso . Un volumen de agua de menor densidad que el entorno tendrá una fuerza de flotación resultante que lo elevará hacia arriba, y un volumen con mayor densidad será arrastrado hacia abajo por el peso que será mayor que las fuerzas de flotación resultantes, siguiendo el principio de Arquímedes . Cada volumen subirá o bajará hasta que se haya mezclado con su entorno a través de turbulencia y difusión para igualar la densidad del entorno, alcance una profundidad donde tenga la misma densidad que el entorno, o alcance el límite superior o inferior del cuerpo de agua, y se extiende hasta que las fuerzas se equilibran y el cuerpo de agua alcanza su energía potencial más baja.
La densidad del agua, que se define como masa por unidad de volumen, es función de la temperatura ( ), la salinidad ( ) y la presión ( ), que es función de la profundidad y la distribución de densidad de la columna de agua superpuesta, y se denota como .
La dependencia de la presión no es significativa, ya que el agua es casi perfectamente incompresible. [2] Un aumento de la temperatura del agua por encima de 4°C provoca expansión y la densidad disminuirá. El agua se expande cuando se congela, y una disminución de la temperatura por debajo de 4°C también provoca expansión y disminución de la densidad. Un aumento de la salinidad, la masa de sólidos disueltos, aumentará la densidad.
La densidad es el factor decisivo en la estratificación. Es posible que una combinación de temperatura y salinidad dé como resultado una densidad que sea menor o mayor que el efecto de cualquiera de ellas de forma aislada, por lo que puede suceder que una capa de agua salina más cálida se coloque entre una capa superficial más fría y fresca y una Más fría, más salina, capa más profunda.
Una picnoclina es una capa en una masa de agua donde el cambio de densidad es relativamente grande en comparación con el de otras capas. El espesor de la picnooclina no es constante en todas partes y depende de una variedad de variables. [3]
Así como una picnoclina es una capa con un gran cambio de densidad con la profundidad, se pueden definir capas similares para un gran cambio de temperatura, una termoclina , y de salinidad, una haloclina . Dado que la densidad depende tanto de la temperatura como de la salinidad, los picno, termo y haloclinas tienen una forma similar. [4]
La mezcla es la ruptura de la estratificación. Una vez que una masa de agua ha alcanzado un estado estable de estratificación y no se aplican fuerzas o energía externas, se mezclará lentamente por difusión hasta que sea homogénea en densidad, temperatura y composición, variando solo debido a efectos menores de compresibilidad. Esto no suele ocurrir en la naturaleza, donde hay una variedad de influencias externas para mantener o alterar el equilibrio. Entre ellos se encuentra el aporte de calor del sol, que calienta el volumen superior, haciéndolo expandirse ligeramente y disminuyendo la densidad, por lo que esto tiende a aumentar o estabilizar la estratificación. El aporte de calor desde abajo, como ocurre con la expansión de las placas tectónicas y el vulcanismo, es una influencia perturbadora que hace que el agua caliente suba, pero estos suelen ser efectos locales y pequeños en comparación con los efectos del viento, la pérdida de calor y la evaporación de la superficie libre, y los cambios. de dirección de las corrientes.
El viento tiene los efectos de generar ondas y corrientes de viento , y aumentar la evaporación en la superficie, lo que tiene un efecto de enfriamiento y un efecto de concentración en los solutos, aumentando la salinidad, los cuales aumentan la densidad. El movimiento de las olas crea cierta cizalladura en el agua, lo que aumenta la mezcla en el agua superficial, al igual que el desarrollo de las corrientes. El movimiento masivo de agua entre latitudes se ve afectado por las fuerzas de Coriolis , que imparten movimiento en la dirección de la corriente, y el movimiento hacia o desde una masa de tierra u otra obstrucción topográfica puede dejar un déficit o exceso que reduce o eleva el nivel del mar localmente, provocando surgencias. y depresión para compensar. Los principales afloramientos en el océano están asociados con la divergencia de corrientes que traen aguas más profundas a la superficie. Hay al menos cinco tipos de surgencias: surgencias costeras, surgencias a gran escala impulsadas por el viento en el interior del océano, surgencias asociadas con remolinos, surgencias topográficamente asociadas y surgencias de amplia difusión en el interior del océano. El hundimiento también se produce en regiones anticiclónicas del océano donde los anillos cálidos giran en el sentido de las agujas del reloj, provocando una convergencia en la superficie. Cuando estas aguas superficiales convergen, el agua superficial es empujada hacia abajo. [5] Estos efectos de mezcla desestabilizan y reducen la estratificación.
La estratificación de los océanos es la separación natural del agua de un océano en capas horizontales por densidad , y ocurre en todas las cuencas oceánicas. El agua más densa se encuentra debajo del agua más ligera, lo que representa una estratificación estable . La picnoclina es la capa donde la tasa de cambio de densidad es mayor.
La estratificación de los océanos es generalmente estable porque el agua más cálida es menos densa que el agua más fría y la mayor parte del calentamiento proviene del sol, que afecta directamente sólo a la capa superficial. La estratificación se reduce mediante la mezcla mecánica inducida por el viento, pero se refuerza por la convección (el agua caliente sube, el agua fría desciende). Las capas estratificadas actúan como una barrera para la mezcla de agua, lo que afecta el intercambio de calor, carbono, oxígeno y otros nutrientes. [1] La capa mixta superficial es la capa más superficial del océano y está bien mezclada por efectos mecánicos (viento) y térmicos (convección).
Debido al movimiento del agua superficial impulsado por el viento desde y hacia las masas de tierra, pueden ocurrir surgencias y descendentes , rompiendo la estratificación en aquellas áreas, donde el agua fría rica en nutrientes asciende y el agua cálida se hunde, respectivamente, mezclando las aguas superficiales y del fondo.
El espesor de la termoclina no es constante en todas partes y depende de una variedad de variables.
Entre 1960 y 2018, la estratificación de la capa superior del océano aumentó entre un 0,7% y un 1,2% por década debido al cambio climático. [1] Esto significa que las diferencias en la densidad de las capas de los océanos aumentan, lo que lleva a mayores barreras de mezcla y otros efectos. [ se necesita aclaración ] La estratificación global de las capas superiores del océano ha continuado su tendencia creciente en 2022. [7] Los océanos australes (al sur de 30°S) experimentaron la tasa de estratificación más fuerte desde 1960, seguidos por los océanos Pacífico, Atlántico e Índico. . [1] La creciente estratificación se ve afectada predominantemente por los cambios en la temperatura del océano ; la salinidad sólo juega un papel local. [1]
Un estuario es una masa costera parcialmente cerrada de agua salobre en la que desembocan uno o más ríos o arroyos, y con libre conexión con el mar abierto . [8]
El tiempo de residencia del agua en un estuario depende de la circulación dentro del estuario que es impulsada por las diferencias de densidad debidas a los cambios de salinidad y temperatura. El agua dulce menos densa flota sobre agua salada y el agua más cálida flota sobre agua más fría a temperaturas superiores a 4°C. Como resultado, las aguas cercanas a la superficie y cercanas al fondo pueden tener diferentes trayectorias, lo que resulta en diferentes tiempos de residencia.
La mezcla vertical determina cuánto cambiarán la salinidad y la temperatura de arriba a abajo, afectando profundamente la circulación del agua. La mezcla vertical se produce en tres niveles: desde la superficie hacia abajo por las fuerzas del viento, desde el fondo hacia arriba por las turbulencias generadas en la interfaz entre las masas de agua estuarina y oceánica, e internamente por la mezcla turbulenta causada por las corrientes de agua impulsadas por las mareas, el viento y afluencia de ríos. [9]
Diferentes tipos de circulación estuarina resultan de la mezcla vertical:
Los estuarios en cuña de sal se caracterizan por una marcada interfaz de densidad entre la capa superior de agua dulce y la capa inferior de agua salada . El agua de los ríos domina en este sistema y los efectos de las mareas tienen un papel pequeño en los patrones de circulación. El agua dulce flota sobre el agua de mar y se adelgaza gradualmente a medida que avanza hacia el mar. El agua de mar más densa se mueve a lo largo del fondo del estuario formando una capa en forma de cuña y volviéndose más delgada a medida que avanza hacia la tierra. A medida que se desarrolla una diferencia de velocidad entre las dos capas, las fuerzas de corte generan ondas internas en la interfaz, mezclando el agua de mar hacia arriba con el agua dulce. [10] Un ejemplo es el estuario del Mississippi . [ cita necesaria ]
A medida que aumenta el forzamiento de las mareas, el control del flujo del río sobre el patrón de circulación en el estuario se vuelve menos dominante. La mezcla turbulenta inducida por la corriente crea una condición moderadamente estratificada. Los remolinos turbulentos mezclan la columna de agua, creando una transferencia de masa de agua dulce y agua de mar en ambas direcciones a través del límite de densidad. Por lo tanto, la interfaz que separa las masas de agua superior e inferior se reemplaza por una columna de agua con un aumento gradual de la salinidad desde la superficie hasta el fondo. Sin embargo, todavía existe un flujo de dos capas, con el gradiente máximo de salinidad a media profundidad. Los estuarios parcialmente estratificados suelen ser poco profundos y anchos, con una mayor relación ancho-profundidad que los estuarios en cuña salina. [10] Un ejemplo es el Támesis . [ cita necesaria ]
En estuarios verticalmente homogéneos, el flujo de marea es mayor en relación con la descarga del río, lo que resulta en una columna de agua bien mezclada y la desaparición del gradiente vertical de salinidad. La frontera entre el agua dulce y el agua de mar se elimina debido a la intensa mezcla turbulenta y los efectos de los remolinos. La relación ancho-profundidad de los estuarios verticalmente homogéneos es grande, y la profundidad limitada crea suficiente cizallamiento vertical en el fondo marino para mezclar completamente la columna de agua. Si las corrientes de marea en la desembocadura de un estuario son lo suficientemente fuertes como para crear una mezcla turbulenta, a menudo se desarrollan condiciones verticalmente homogéneas. [10]
Los fiordos suelen ser ejemplos de estuarios muy estratificados; son cuencas con alféizares y tienen un aporte de agua dulce que supera con creces la evaporación. El agua oceánica se importa en una capa intermedia y se mezcla con el agua dulce. El agua salobre resultante se exporta luego a la capa superficial. Una lenta importación de agua de mar puede fluir sobre el umbral y hundirse hasta el fondo del fiordo (capa profunda), donde el agua permanece estancada hasta que una tormenta ocasional la arrastra. [9]
Los estuarios inversos ocurren en climas secos donde la evaporación excede en gran medida la entrada de agua dulce. Se forma una zona de máxima salinidad, y tanto el agua fluvial como la oceánica fluyen cerca de la superficie hacia esta zona. [11] Esta agua es empujada hacia abajo y se extiende a lo largo del fondo tanto hacia el mar como hacia la tierra. La salinidad máxima puede alcanzar valores extremadamente altos y el tiempo de residencia puede ser de varios meses. En estos sistemas, la zona máxima de salinidad actúa como un tapón, inhibiendo la mezcla de aguas estuarinas y oceánicas para que el agua dulce no llegue al océano. El agua de alta salinidad se hunde hacia el mar y sale del estuario. [12] [13]
La estratificación de los lagos, generalmente una forma de estratificación térmica causada por variaciones de densidad debido a la temperatura del agua, es la formación de capas de agua separadas y distintas durante el clima cálido y, a veces, cuando se congela. Los lagos típicamente estratificados muestran tres capas distintas: el epilimnio que comprende la capa cálida superior, la termoclina (o metalimnio ): la capa intermedia, que puede cambiar de profundidad a lo largo del día, y el hipolimnio más frío que se extiende hasta el fondo del lago. [ cita necesaria ]
La estratificación térmica de los lagos es un aislamiento vertical de partes del cuerpo de agua de la mezcla causada por la variación de la temperatura a diferentes profundidades en el lago, y se debe a que la densidad del agua varía con la temperatura. [14] El agua fría es más densa que el agua tibia de la misma salinidad, y el epilimnion generalmente consiste en agua que no es tan densa como el agua del hipolimnion. [15] Sin embargo, la temperatura de densidad máxima para el agua dulce es de 4 °C. En las regiones templadas donde el agua del lago se calienta y se enfría a lo largo de las estaciones, se produce un patrón cíclico de vuelco que se repite de año en año a medida que el agua en la parte superior del lago se enfría y se hunde (ver estratificación estable e inestable ). Por ejemplo, en los lagos dimícticos el agua del lago cambia durante la primavera y el otoño. Este proceso ocurre más lentamente en aguas más profundas y, como resultado, se puede formar una barra térmica . [14] Si la estratificación del agua dura períodos prolongados, el lago es meromíctico .
En los lagos poco profundos, la estratificación en epilimnion, metalimnion e hipolimnion a menudo no ocurre, ya que el viento o el enfriamiento provocan una mezcla regular durante todo el año. Estos lagos se llaman polimícticos . No existe una profundidad fija que separe los lagos polimícticos y estratificados, ya que, además de la profundidad, en esto también influyen la turbidez, la superficie del lago y el clima. [16] El régimen de mezcla del lago (por ejemplo, polimíctico, dimíctico, meromíctico) [17] describe los patrones anuales de estratificación del lago que ocurren en la mayoría de los años. Sin embargo, los acontecimientos de corta duración también pueden influir en la estratificación de los lagos. Las olas de calor pueden causar períodos de estratificación en lagos poco profundos y mezclados, [18] mientras que los eventos de mezcla, como tormentas o grandes descargas de ríos, pueden romper la estratificación. [19] Investigaciones recientes sugieren que los lagos dimícticos cubiertos estacionalmente de hielo pueden describirse como "crioestratificados" o "criomícticos" según sus regímenes de estratificación invernal. [19] Los lagos crioestratificados exhiben estratificación inversa cerca de la superficie del hielo y tienen temperaturas promedio en profundidad cercanas a 4 °C, mientras que los lagos criomícticos no tienen termoclina bajo el hielo y tienen temperaturas invernales promedio en profundidad cercanas a 0 °C. [19]
Un sistema anquialino es una masa de agua sin salida al mar con una conexión subterránea con el océano . Dependiendo de su formación, estos sistemas pueden existir en una de dos formas principales: piscinas o cuevas. La principal característica diferenciadora entre piscinas y cuevas es la disponibilidad de luz; Los sistemas de cuevas son generalmente afóticos, mientras que los estanques son eufóticos . La diferencia en la disponibilidad de luz tiene una gran influencia en la biología de un sistema determinado. Los sistemas anquialinos son una característica de los acuíferos costeros que están estratificados por densidad, siendo el agua cerca de la superficie dulce o salobre y agua salina que penetra desde la costa en las profundidades. Dependiendo del sitio, a veces es posible acceder al agua salina más profunda directamente en la piscina anquialina, o a veces puede ser accesible mediante buceo en cuevas . [20]
Los sistemas anquialinos son extremadamente comunes en todo el mundo, especialmente a lo largo de las costas neotropicales , donde la geología y los sistemas acuíferos son relativamente jóvenes y el desarrollo del suelo es mínimo. Estas condiciones se dan especialmente cuando el lecho de roca es piedra caliza o lava volcánica de reciente formación . Muchos sistemas anquialinos se encuentran en las costas de la isla de Hawái , la península de Yucatán , Australia del Sur , las Islas Canarias , la isla de Navidad y otros sistemas kársticos y volcánicos. [20]
Las cuevas kársticas que desembocan en el mar pueden tener una haloclina que separa el agua dulce del agua de mar que se encuentra debajo y que puede ser visible incluso cuando ambas capas son claras debido a la diferencia en los índices de refracción.
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