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La estratificación en el agua es la formación en un cuerpo de agua de capas relativamente distintas y estables por densidad . Ocurre en todos los cuerpos de agua donde hay una variación estable de la densidad con la profundidad. La estratificación es una barrera para la mezcla vertical del agua, que afecta el intercambio de calor, carbono, oxígeno y nutrientes. [1] El afloramiento y hundimiento de agua abierta impulsados por el viento puede inducir la mezcla de diferentes capas a través de la estratificación y forzar el ascenso de agua fría, rica en nutrientes o salina más densa y el hundimiento de agua cálida o más dulce más liviana, 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 ocurre en varios tipos de cuerpos 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 adyacentes de agua según la densidad local, actuando sobre ellos mediante 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 empujado hacia abajo por el peso que será mayor que las fuerzas de flotación resultantes, siguiendo el principio de Arquímedes . Cada volumen se elevará o se hundirá 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 extienda hasta que las fuerzas se equilibren y el cuerpo de agua alcance su energía potencial más baja.
La densidad del agua, que se define como masa por unidad de volumen, es una función de la temperatura ( ), la salinidad ( ) y la presión ( ), que es una función de la profundidad y la distribución de densidad de la columna de agua suprayacente, 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 una 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 por separado, por lo que puede suceder que una capa de agua salada más cálida se encuentre entre una capa superficial más fría y dulce y una capa más profunda más fría y salina.
Una picnoclina es una capa de un cuerpo de agua en la que el cambio de densidad es relativamente grande en comparación con el de otras capas. El espesor de la picnoclina no es constante en todas partes y depende de una variedad de variables. [3]
De la misma manera que 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, las picnoclinas, termoclinas 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 externas ni energía, se mezclará lentamente por difusión hasta que se vuelva 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 que mantienen o alteran el equilibrio. Entre ellas se encuentra el aporte de calor del sol, que calienta el volumen superior, lo que hace que se expanda ligeramente y disminuya 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 ascienda, 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 el efecto de generar olas y corrientes de viento , y aumentar la evaporación en la superficie, lo que tiene un efecto de enfriamiento y un efecto de concentración de solutos, aumentando la salinidad, ambos los cuales aumentan la densidad. El movimiento de las olas crea algo de cizallamiento en el agua, lo que aumenta la mezcla en el agua superficial, al igual que el desarrollo de corrientes. El movimiento de masas de agua entre latitudes se ve afectado por las fuerzas de Coriolis , que imparten movimiento a través de 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 baja o sube el nivel del mar localmente, impulsando afloramientos y hundimientos 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 afloramiento: afloramiento costero, afloramiento impulsado por el viento a gran escala en el interior del océano, afloramiento asociado con remolinos, afloramiento asociado topográficamente y afloramiento difusivo amplio en el interior del océano. El hundimiento también ocurre en las regiones anticiclónicas del océano, donde los anillos cálidos giran en el sentido de las agujas del reloj, lo que provoca la convergencia de 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 oceánica es la separación natural del agua de un océano en capas horizontales según la densidad y se produce en todas las cuencas oceánicas. El agua más densa se encuentra debajo del agua más liviana, 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 solo a la capa superficial. La estratificación se reduce por la mezcla mecánica inducida por el viento, pero se refuerza por la convección (el agua cálida asciende, 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 superior del océano y está bien mezclada por efectos mecánicos (viento) y térmicos (convección).
Debido al movimiento de las aguas superficiales impulsado por el viento, alejándose y acercándose a las masas de tierra, pueden producirse afloramientos y hundimientos que rompen la estratificación en aquellas áreas donde el agua fría rica en nutrientes sube y el agua cálida desciende, respectivamente, mezclando las aguas superficiales y las 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 genera barreras de mezcla más grandes y otros efectos. [ aclaración necesaria ] La estratificación global de la capa superior del océano ha continuado su tendencia creciente en 2022. [7] Los océanos australes (al sur de los 30°S) experimentaron la tasa de estratificación más fuerte desde 1960, seguidos por los océanos Pacífico, Atlántico e Índico. [1] El aumento de la estratificación se ve afectado predominantemente por los cambios en la temperatura del océano ; la salinidad solo juega un papel a nivel local. [1]
Un estuario es un cuerpo costero parcialmente cerrado de agua salobre con uno o más ríos o arroyos que desembocan en él, y con una conexión libre con el mar abierto . [8]
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 para 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 la interfaz entre las masas de agua estuarinas y oceánicas, y en el interior por la mezcla turbulenta causada por las corrientes de agua impulsadas por las mareas, el viento y la afluencia de los ríos. [9]
De la mezcla vertical resultan diferentes tipos de circulación estuarina:
Los estuarios con cuñas salinas 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 del estuario formando una capa en forma de cuña y se vuelve 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. [10] 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. [10] Un ejemplo es el Támesis . [ cita requerida ]
En los estuarios verticalmente homogéneos, el flujo de marea es mayor en relación con la descarga del río, lo que da como resultado una columna de agua bien mezclada y la desaparición del gradiente de salinidad vertical. El límite entre agua dulce y agua salada 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 de homogeneidad vertical. [10]
Los fiordos son, por lo general, ejemplos de estuarios altamente estratificados; son cuencas con umbrales y tienen una entrada 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 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 una tormenta ocasional la arrastra. [9]
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. [11] 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. [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 congelan. Por lo general, los lagos estratificados muestran tres capas distintas: el epilimnion , que comprende la capa superior cálida, la termoclina (o metalimnion ): la capa intermedia, que puede cambiar de profundidad a lo largo del día, y el hipolimnion, más frío , que se extiende hasta el fondo del lago. [ cita requerida ]
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 la densidad del agua que varía con la temperatura. [14] El agua fría es más densa que el agua caliente de la misma salinidad, y el epilimnion generalmente consiste en agua que no es tan densa como el agua en el hipolimnion. [15] Sin embargo, la temperatura de máxima densidad 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 se renueva durante la primavera y el otoño. Este proceso ocurre más lentamente en aguas más profundas y, como resultado, puede formarse una barra térmica . [14] Si la estratificación del agua dura períodos prolongados, el lago es meromíctico .
En lagos poco profundos, la estratificación en epilimnion, metalimnion e hipolimnion a menudo no ocurre, ya que el viento o el enfriamiento causan una mezcla regular durante todo el año. Estos lagos se denominan polimícticos . No hay una profundidad fija que separe los lagos polimícticos y estratificados, ya que además de la profundidad, esto también está influenciado por 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 eventos de corto plazo también pueden influir en la estratificación del lago. Las olas de calor pueden causar períodos de estratificación en lagos poco profundos y mixtos, [18] mientras que los eventos de mezcla, como las tormentas o la descarga de grandes ríos, pueden romper la estratificación. [19] Investigaciones recientes sugieren que los lagos dimícticos cubiertos de hielo estacionalmente pueden describirse como "crioestratificados" o "criomícticos" según sus regímenes de estratificación invernales. [19] Los lagos crioestratificados exhiben una estratificación inversa cerca de la superficie del hielo y tienen temperaturas promedio en profundidad cercanas a los 4 °C, mientras que los lagos criomícticos no tienen termoclina bajo el hielo y tienen temperaturas invernales promedio en profundidad más cercanas a los 0 °C. [19]
Un sistema anquialino es un cuerpo de agua encerrado en el 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 las piscinas son eufóticas . 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, con agua cerca de la superficie que es dulce o salobre , y agua salina que se introduce desde la costa en profundidad. 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 hay un desarrollo mínimo del suelo. Tales condiciones ocurren notablemente donde el lecho rocoso es piedra caliza o lava volcánica recientemente formada . 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 debajo y que puede ser visible incluso cuando ambas capas son transparentes debido a la diferencia en los índices de refracción.
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