Tsunami

Dentro de unos días vamos a empezar a hablar de olas y otros tipos de ondas presentes en el océano. La principal diferencia con las corrientes que hemos visto hasta ahora es que en las ondas no hay transporte neto de materia, pero sí de energía. Un ejemplo extremo de esto lo encontramos en los Tsunamis (en japonés, ola de puerto), un tipo de ola gigante generada en el fondo del océano por la actividad sísmica. Aunque son poco frecuentes, su capacidad destructiva es tan grande que son noticia incluso mucho tiempo después de suceder. La imagen animada muestra el Tsunami ocurrido en Sumatra en 2004, según una simulación numérica. El suceso más reciente es el Tsunami de Japón de 2009. El conocimiento científico de los Tsunamis puede salvar muchas vidas, y todavía queda mucho por descubrir. Un ejemplo de que es un campo en constante avance, y que nos puede servir de introducción y motivación para las próximas clases, lo tenemos en la siguiente noticia, publicada recientemente: El Tsunami de Japón fue la suma de dos olas gigantes. Parece que la topografía del fondo juega un papel muy relevante en la propagación de estas ondas. La noticia sugiere (al menos a mi) una cuestión interesante: ¿se cumple el principio de superposición (uno y uno son dos) al sumar Tsunamis? Apuesto a que no, ya que se trata de olas no lineales. Este sería un tema de investigación muy interesante...

El océano en una caja

El viernes pasado fuimos al laboratorio de Oceanografía Física. Es algo que no estaba previsto, puesto que no existía (hasta el viernes) tal laboratorio. No sé que pensarán los demás, pero para mi la experiencia fue muy interesante, casi diría que inolvidable.

 El laboratorio consiste básicamente en un tanque para fluidos, sobre una tabla que puede girar gracias un pequeño motor. El movimiento del fluido de visualiza mediante distintos tipos de colorantes. A pesar de su simplicidad, el dispositivo permite visualizar (¡y entender!) los principales fenómenos asociados a la dinámica de los océanos y de la atmósfera: giros subtropicales, circulación superficial, transporte y bombeo de Ekman, la circulación oceánica profunda, y muchas cosas más. Digamos que el fluido en rotación es un análogo bien de la atmósfera, bien del océano, donde podemos aislar los distintos efectos y estudiarlos por separado y de manera controlada. 

  Este laboratorio y los fenómenos que podemos ver en él, ha sido diseñado por algunos de los oceanógrafos más reconocidos (por ejemplo, John Marshall, que nos ha facilitado que tengamos esto aquí), y forma parte de un gran proyecto investigación para la enseñanza de la oceanografía y el clima liderado por el Massachusetts Institute of Technology (MIT), uno de los principales centros científicos del mundo. Yo diría que es una suerte que contemos con algo así aquí. 

  Existe una web sobre este proyecto (denominado con el bonito nombre de "weather in a tank"), donde entre otras cosas muy interesantes podemos ver vídeos explicativos de los distintos fenómenos que se pueden reproducir en la tabla rotatoria. 

La página del proyecto es http://www-paoc.mit.edu/labguide/index.html

 

La corriente del Golfo

Hoy hemos dedicado una parte de la clase a ver el documental "La corriente del Golfo y la próxima glaciación", emitido hace algún tiempo en Documentos TV. El documental describe algunas características generales de la circulación oceánica, y en particular de esta intensa y cálida corriente que recorre el Atlántico Norte, y que es la principal responsable del clima suave que disfrutamos en Europa, incluso a latitudes elevadas. Aparte de las apocalípticas consecuencias de una eventual desaparición o disminución de la corriente, y sobre las que se ha especulado tanto, en el documental podemos encontrar referencias a muchas propiedades de la circulación general que hemos ido discutiendo a lo largo del curso. Con lo que hemos aprendido hasta ahora, deberíamos de ser capaces de responder a la pregunta: ¿porqué existe la corriente del Golfo? Recordemos que en las costas de Japón existe una corriente similar denominada Kuroshio. ¿Qué tienen ambas en común? La mejor respuesta tendrá premio.

Podéis volver a ver el documental en 

http://www.documaniatv.com/ciencia/documentos-tv-la-corriente-del-golfo-y-la-proxima-glaciacion-video_cca0a25dc.html.  

Corrientes superficiales

El gran explorador noruego Nansen dejó de manera intencionada que su barco, el Fram, quedara atrapado en el hielo marino del Ártico en 1893. Nansen pensó que quedando atrapado en el hielo marino, que se mueve con las corrientes del océano, acabaría llegando al Polo Norte. Durante tres años, Nansen y su nave estuvieron a la deriva por el Ártico. No llegó al Polo, pero dispuso de bastante tiempo libre para realizar observaciones del medio ambiente. Una de sus observaciones fue que el hielo no se movía en la misma dirección del viento, sino que se movía a la derecha de la dirección del viento, lo cual en aquel momento no tenía una explicación evidente.

Cuando el viento sopla sobre el océano, mueve al agua oceánica como resultado de la fricción con la superficie. Debido a que la Tierra gira, la superficie se mueve hacia la derecha de la dirección del viento en el hemisferio norte y a la izquierda en el hemisferio sur, debido al efecto Coriolis. La velocidad y dirección de los movimientos del agua cambian con la profundidad. El agua en la superficie del océano se mueve en un ángulo de 45º con la dirección del viento, el agua debajo del agua de la superficie lo hace con un ángulo aún mayor, y el agua de las profundidades gira todavía más. La velocidad decrece con la profundidad, puesto que la energía transmitida por el viento al agua de va disipando. Esto crea una espiral de agua móvil, llamada espiral de Ekman, que alcanza de 100 a 150 metros de profundidad. A partir de esta profundidad, que define la llamada capa de Ekman, el efecto del viento sobre la circulación oceánica es despreciable. La dirección promedio de toda esta agua en movimiento es aproximadamente en ángulo recto con la dirección del viento. Este promedio es el transporte Ekman.

La espiral de Ekman y el Transporte Ekman llevan este nombre en honor al científico sueco V. Walfrid Ekman. En 1905, Walfrid Ekman fue el primero en describir teóricamente la espiral. Para hacer un modelo matemático de estos movimientos, Ekman usó las observaciones que Fridtjof Nansen hizo mientras estaba atrapado en el hielo del Ártico. Este resultado, uno de los más importantes en oceanografía física, fue presentado en su tesis doctoral. El transporte Ekman es importantísimo, ya que está directamente relacionado con el fenómeno de las surgencias (upwelling) de aguas profundas a la superficie, que provee de nutrientes la superficie del mar y permite la existencia de zonas de alta productividad biológica.

Movimiento del aire

El calor procedente del sol es el motor de mueve las masas de aire en la atmósfera, y en gran medida las de agua en el océano. En las zonas ecuatoriales, donde la ganancia de calor es máxima, el aire tiene un movimiento ascendente, originando así una celda de circulación. Dicho aire asciende (dejando una zona de baja presión) ya que su densidad es menor que la del aire justo encima, y ello es debido tanto al efecto de la alta temperatura como de la humedad. La temperatura disminuye la densidad ya que dilata el aire. No hay misterio en esto. Pero, ¿y el vapor? Añadir vapor de agua al aire (haciendo este húmedo) también reduce la densidad del aire, lo cual a primera vista puede parecer contrario a la lógica. Pero no lo es. Veamos:

Ello ocurre porque la masa molecular del agua (18 g/mol, 2 del hidrógeno y 16 del oxígeno) es menor que la masa molecular del aire seco, en torno a los 29 g/mol (casi todo por el nitrógeno). En cualquier gas, a temperatura y presión constantes, el número de moléculas presentes es constante para un volumen dado (es la ley de Avogadro). Así que cuando se añaden moléculas de agua (vapor) a un volumen de aire dado, el número de moléculas de aire seco debe disminuir, para mantener la presión y la temperatura del gas invariable. Así, la masa por unidad de volumen (la densidad) decrece.

En la parte superior del ecuador el aire húmedo forma nubes, por lo que es una zona de alta precipitación. Pero las nubes no son solo vapor de agua (¡serían transparentes!) sino que están formadas por pequeñas gotitas de agua, que pesan casi mil veces más que el aire seco. Entonces, ¿porqué no las vemos caer? De hecho, sí caen, pero descienden con gran lentitud, puesto que el aire les opone una resistencia considerable durante la caída; basta un flujo de aire ascendente para que una nube deje de caer y ascienda.

Agua de mar

El agua es uno de los líquidos más comunes, y a la vez más exóticos, ya que presenta propiedades muy distintas de las de otros fluidos similares. Por ejemplo, su alta capacidad calorífica hace que pueda almacenar mucho calor sin grandes cambios de temperatura (de ahí las temperaturas suaves en la costa, y de manera más general el efecto moderador del océano sobre el clima). Además, se presenta en estado líquido a temperaturas "cotidianas", lo que es esencial para la vida. El agua es también un solvente universal. Más rarezas: su estado sólido (hielo) tiene menos densidad que el líquido (por eso el hielo flota). Su densidad depende esencialmente de la temperatura y la salinidad, lo que explica, como veremos, la existencia de movimientos de agua conocidos como circulación oceánica profunda. En casos extremos, como el mar muerto, la altísima salinidad (y por tanto densidad) aumenta la flotabilidad, como se aprecia en la foto. Otro aspecto esencial del agua en el mar es su estratificación: existe una zona, situada entre unos 300 y 1000 m, en las que las propiedades (densidad, temperatura, salinidad) cambian bruscamente, separando la zona expuesta al exterior (o capa de mezcla) del océano profundo.  

      

Sedimentos marinos

A todo el mundo le resultan familiares los sedimentos en la costa. Son los sedimentos litogénicos, originados por erosión las rocas en tierra firme. El ejemplo más común, la arena de la playa, más o menos fina según el sitio. Estos sedimentos se concentran cerca de las plataformas continentales, ya que por su peso no pueden llegar muy lejos. Pero entonces ¿que hay bajo el océano profundo, en las llanuras abisales? Es una especie de lodo, llamado biogénico, con textura como de pasta de dientes, que cubre como una alfombra enormes extensiones. Jamás hubiese imaginado que los responsables son los restos de organismos microscópicos que flotan en la superficie (plankton) que al acabar su breve ciclo de vida deciden ir al fondo. Son pequeños, pero muchos. Uno de los más frecuentes son las algas diatomeas, como las de la foto.  Sin duda unas criaturas fascinantes, con formas geométricas casi perfectas. No me canso de verlas.

 Por supuesto, todo esto es mucho más complejo de lo que cuento aquí, y lo hemos tratado con mucho más detalle en la clase de hoy.