La circulación del agua estuarina está controlada por la afluencia de ríos , las mareas , las precipitaciones y la evaporación , el viento y otros fenómenos oceánicos como afloramientos , remolinos y tormentas . Los patrones de circulación del agua estuarina están influenciados por la mezcla vertical y la estratificación , y pueden afectar el tiempo de residencia y el tiempo de exposición.
El tiempo de residencia del agua es una variable clave que determina la salud de un estuario , en particular frente a las tensiones inducidas por el hombre. Una limpieza rápida garantiza que no haya tiempo suficiente para la acumulación de sedimentos o el agotamiento del oxígeno disuelto en el estuario; por lo tanto, un estuario bien limpiado es intrínsecamente más robusto que un estuario mal limpiado. [1] El tiempo de residencia también afecta a otros parámetros como los metales pesados , los nutrientes disueltos , los sólidos suspendidos y las floraciones de algas que pueden afectar la salud de los estuarios. [2]
Una forma sencilla de calcular el tiempo de residencia es utilizando un modelo clásico de estuario simple, que puede ser útil para adquirir una comprensión conceptual de un estuario, pero es burdo en tiempo y espacio. Un estuario clásico tiene los siguientes componentes: 1) entrada de agua dulce con un caudal Q f y una salinidad S f (generalmente S f = 0 ); 2) entrada oceánica con un caudal Q in y una salinidad S 0 ; y 3) salida al océano con un caudal Q out y una salinidad S 1. La entrada y la salida de agua son iguales porque la masa se conserva. La sal también se conserva, por lo tanto, los flujos de entrada y salida de salinidad también son iguales. Si se ignoran las entradas de agua subterránea y la evaporación, la ecuación de continuidad es:
El tiempo de residencia T es el volumen de agua dulce dentro del estuario dividido por el caudal del río, y puede aproximarse como: [1]
donde Vol es el volumen total de agua dentro del estuario.
El tiempo de residencia considera el tiempo que tardan las partículas de agua en salir del estuario; sin embargo, algunas partículas de agua que salen del estuario durante una marea baja pueden volver a ingresar al sistema durante una marea alta. La cantidad de tiempo que una partícula de agua pasa en el estuario hasta que nunca regresa se llama tiempo de exposición . El tiempo de exposición puede ser mucho mayor que el tiempo de residencia si las partículas de agua salen con las mareas bajas y regresan con la marea alta. La relación entre la cantidad de partículas de agua que regresan al estuario y la cantidad de partículas de agua que salen se conoce como coeficiente de retorno , r .
Para cuantificar el tiempo de exposición, se debe determinar la circulación del agua fuera del estuario. Sin embargo, la circulación cerca de la desembocadura del estuario es compleja debido a los procesos de mezcla de mareas que ocurren entre las aguas estuarinas y oceánicas. Si la costa es accidentada con promontorios, se producirá un mosaico de campos de flujo complejos que consisten en remolinos , chorros y zonas de estancamiento, lo que complica aún más los patrones de circulación fuera del estuario. [1]
En los casos en que hay deltas o humedales que drenan en múltiples arroyos mareales, como Missionary Bay, Australia , el agua que sale de un arroyo durante la marea baja puede ingresar a otro estuario durante la marea alta. [3] Cuando hay una serie de estuarios involucrados, se producirá un gran tiempo de exposición (mayor que el de los estuarios individuales) si el flujo de salida de la marea de un estuario vuelve a ingresar en un estuario diferente durante la marea alta. Sin embargo, a lo largo de una costa accidentada con promontorios, la mezcla de aguas estuarinas y oceánicas puede ser intensa. Cuando el agua estuarina sale del estuario, se descarga hacia las aguas costeras, por lo que el tiempo de exposición y el tiempo de residencia son casi iguales. [4]
En algunos casos es posible medir los flujos de volumen, sal y temperatura a través de la desembocadura de un estuario a través de un ciclo de mareas . Utilizando estos datos, se puede calcular (1- r ) ( r es el coeficiente de retorno): es igual a la fracción del volumen de agua V TP (volumen medio del prisma de marea) que sale del estuario durante la marea baja y que se reemplaza con aguas costeras antes de volver a entrar en el sistema. Cuando r = 1 , la misma agua está volviendo a entrar en el estuario, y si r = 0 , el agua estuarina que ha salido del estuario durante la marea baja ha sido reemplazada por aguas costeras que entran en el estuario durante la marea alta. [1] El tiempo de exposición τ' se estima mediante:
El estuario V se define como el volumen estuarino medio y la marea T es el período de marea. [5]
Los flujos totales de agua salobre a través de la desembocadura del río durante los fenómenos de marea suelen ser mucho mayores (a menudo por un factor de 10 a 100) que el flujo volumétrico de la afluencia fluvial. Por lo tanto, si las mediciones no son precisas, la estimación del flujo neto no será fiable. Las mediciones directas del coeficiente de retorno suelen complicarse por fenómenos oceánicos inestables, como un afloramiento, el paso de un remolino o tormentas, por lo que es poco frecuente que se consiga una medición directa correcta del coeficiente de retorno. [1]
El tiempo de residencia del agua en un estuario depende de la circulación dentro del estuario, que se ve impulsada por las diferencias de densidad debidas a los cambios en la salinidad y la temperatura. El agua dulce menos densa flota sobre el agua salada y el agua más cálida flota sobre el agua más fría (temperaturas superiores a 4 °C). Como resultado, las aguas cercanas a la superficie y las cercanas al fondo pueden tener trayectorias diferentes, lo que da lugar a diferentes tiempos de residencia.
La mezcla vertical determina cuánto cambiará la salinidad y la temperatura desde la superficie hasta el fondo, lo que afecta 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 la turbulencia generada en los límites (mezcla de límites estuarinos y oceánicos) y, internamente, por la mezcla turbulenta causada por las corrientes de agua impulsadas por las mareas, el viento y la afluencia de los ríos. [1]
De la mezcla vertical resultan diferentes tipos de circulación estuarina:
Estos estuarios se caracterizan por una marcada interfaz de densidad entre la capa superior de agua dulce y la capa inferior de agua salada . El agua del río predomina 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 vuelve gradualmente más fina a medida que se mueve hacia el mar. El agua de mar más densa se mueve a lo largo del fondo hacia arriba del estuario formando una capa en forma de cuña y volviéndose más fina a medida que se mueve 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. [6] Un ejemplo es el estuario del Mississippi . [ cita requerida ]
A medida que aumenta la fuerza 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 son típicamente poco profundos y anchos, con una mayor relación ancho-profundidad que los estuarios de cuña salina. [6] Un ejemplo es el Támesis . [ cita requerida ]
En estos estuarios, el flujo de marea es mayor en relación con el caudal del río, lo que da lugar a una columna de agua bien mezclada y a la desaparición del gradiente de salinidad vertical. El límite entre agua dulce y agua salada se elimina debido a la intensa mezcla turbulenta y a los efectos de los remolinos. La relación entre el ancho y la 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. [6]
Los fiordos son ejemplos de estuarios altamente estratificados; son cuencas con umbrales y tienen una entrada de agua dulce que supera ampliamente 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 importación lenta 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 es arrastrada por una tormenta ocasional. [1]
Los estuarios inversos se producen en climas secos donde la evaporación supera con creces 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. [7] Esta agua es empujada hacia abajo y se extiende a lo largo del fondo tanto en dirección al mar como a 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 de máxima 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. [8] [9]
Los estuarios inversos también se producen en climas húmedos con altas precipitaciones, donde el aporte de agua dulce a una región costera es mayor en el extremo del estuario que da al mar. Un ejemplo es Saanich Inlet (un fiordo) en la costa sureste de la isla de Vancouver. Aquí, los aportes de agua dulce de los ríos Fraser y Cowichan, que están cerca y fuera del fiordo, son mayores que los de los ríos más pequeños que desembocan en el fiordo. La circulación resultante dentro del fiordo es muy débil y, por lo general, inversa a la de la circulación estuarina positiva.