El transporte de Ekman es parte de la teoría del movimiento de Ekman, investigado por primera vez en 1902 por Vagn Walfrid Ekman . Los vientos son la principal fuente de energía para la circulación oceánica y Ekman Transport es un componente de la corriente oceánica impulsada por el viento. [1] El transporte de Ekman ocurre cuando las aguas superficiales del océano están influenciadas por la fuerza de fricción que actúa sobre ellas a través del viento. Cuando el viento sopla, lanza una fuerza de fricción sobre la superficie del océano que arrastra consigo los 10-100 m superiores de la columna de agua. [2] Sin embargo, debido a la influencia del efecto Coriolis , el agua del océano se mueve en un ángulo de 90 ° desde la dirección del viento en la superficie. [2] La dirección del transporte depende del hemisferio: en el hemisferio norte, el transporte ocurre a 90 ° en sentido horario desde la dirección del viento, mientras que en el hemisferio sur ocurre a 90 ° en sentido antihorario. [3] Este fenómeno fue observado por primera vez por Fridtjof Nansen , quien registró que el transporte de hielo parecía ocurrir en ángulo con la dirección del viento durante su expedición al Ártico durante la década de 1890. [4] El transporte de Ekman tiene un impacto significativo en las propiedades biogeoquímicas de los océanos del mundo. Esto se debe a que provoca surgencia (succión de Ekman) y afloramiento.(Bombeo de Ekman) para obedecer las leyes de conservación masiva. La conservación masiva, en referencia a la transferencia de Ekman, requiere que se reponga el agua desplazada dentro de un área. Esto se puede hacer mediante succión Ekman o bombeo Ekman dependiendo de los patrones de viento. [1]
La teoría de Ekman explica el estado teórico de la circulación si las corrientes de agua fueran impulsadas únicamente por la transferencia de impulso del viento. En el mundo físico, esto es difícil de observar debido a las influencias de muchas fuerzas impulsoras de corriente simultáneas (por ejemplo, gradientes de presión y densidad ). Aunque la siguiente teoría se aplica técnicamente a la situación idealizada que involucra solo fuerzas del viento, el movimiento de Ekman describe la porción de circulación impulsada por el viento que se ve en la capa superficial. [5] [6]
Las corrientes superficiales fluyen en un ángulo de 45 ° con el viento debido a un equilibrio entre la fuerza de Coriolis y los arrastres generados por el viento y el agua. [7] Si el océano se divide verticalmente en capas delgadas, la magnitud de la velocidad (la rapidez) disminuye desde un máximo en la superficie hasta que se disipa. La dirección también cambia ligeramente a través de cada capa subsiguiente (a la derecha en el hemisferio norte ya la izquierda en el hemisferio sur). A esto se le llama la espiral de Ekman . [8] La capa de agua desde la superficie hasta el punto de disipación de esta espiral se conoce como capa de Ekman.. Si todo el flujo sobre la capa de Ekman está integrado, el transporte neto está a 90 ° a la derecha (izquierda) del viento de superficie en el hemisferio norte (sur). [3]
Hay tres patrones de viento principales que conducen a la succión o bombeo de Ekman. Los primeros son los patrones de viento que son paralelos a la costa. [1] Debido al efecto Coriolis , el agua superficial se mueve en un ángulo de 90 ° con la corriente del viento. Si el viento se mueve en una dirección que hace que el agua se aleje de la costa, se producirá la succión de Ekman. [1] Por otro lado, si el viento se mueve de tal manera que las aguas superficiales se mueven hacia la costa, se producirá el bombeo Ekman. [1]
El segundo mecanismo de las corrientes de viento que resulta en la transferencia de Ekman son los Vientos Alisios tanto al norte como al sur del ecuador que atraen las aguas superficiales hacia los polos. [1] Hay una gran cantidad de succión de Ekman en el ecuador porque el agua está siendo arrastrada hacia el norte al norte del ecuador y hacia el sur al sur del ecuador. Esto conduce a una divergencia en el agua, lo que resulta en la succión de Ekman y, por lo tanto, en el afloramiento. [9]
El tercer patrón de viento que influye en la transferencia de Ekman son los patrones de viento a gran escala en mar abierto. [1] La circulación del viento en mar abierto puede dar lugar a estructuras en forma de remolino de agua de la superficie del mar apilada, lo que da como resultado gradientes horizontales de la altura de la superficie del mar. [1] Esta acumulación de agua hace que el agua tenga un flujo descendente y succión, debido a la gravedad y al concepto de balance de masa. Ekman bombeando hacia abajo en el océano central es una consecuencia de esta convergencia de agua. [1]
La succión de Ekman es el componente del transporte de Ekman que da como resultado áreas de afloramiento debido a la divergencia del agua. [9] Volviendo al concepto de conservación masiva, cualquier agua desplazada por el transporte de Ekman debe reponerse. A medida que el agua diverge, crea espacio y actúa como una succión para llenar el espacio tirando hacia arriba, o aflorando, agua de mar profunda hacia la zona eufótica. [9]
La succión de Ekman tiene importantes consecuencias para los procesos biogeoquímicos de la zona porque provoca surgencia. El afloramiento lleva agua de aguas profundas rica en nutrientes y fría a la zona eufótica, lo que promueve la floración de fitoplancton y da inicio a un entorno extremadamente productivo. [10] Las áreas de surgencia conducen a la promoción de la pesca; de hecho, casi la mitad de la captura mundial de peces proviene de áreas de surgencia. [11]
La succión de Ekman ocurre tanto a lo largo de las costas como en el océano abierto, pero también ocurre a lo largo del ecuador. A lo largo de la costa del Pacífico de California, América Central y Perú, así como a lo largo de la costa atlántica de África, hay áreas de afloramiento debido a la succión de Ekman, ya que las corrientes se mueven hacia el ecuador. [1] Debido al efecto Coriolis, el agua de la superficie se mueve 90 ° a la izquierda (en el hemisferio sur, a medida que viaja hacia el ecuador) de la corriente de viento, lo que hace que el agua se desvíe del límite de la costa, lo que lleva a la succión de Ekman. . Además, hay áreas de surgencia como consecuencia de la succión de Ekman donde los vientos polares del este se encuentran con los vientos del oeste en las regiones subpolares al norte de los subtrópicos, así como donde los vientos alisios del noreste se encuentran con los vientos alisios del sudeste a lo largo del ecuador.[1] De manera similar, debido al efecto Coriolis, el agua de la superficie se mueve 90 ° a la izquierda (en el hemisferio sur) de las corrientes de viento, y el agua de la superficie diverge a lo largo de estos límites, lo que resulta en afloramientos para conservar la masa.
El bombeo de Ekman es el componente del transporte de Ekman que da como resultado áreas de hundimiento debido a la convergencia del agua. [9] Como se discutió anteriormente, el concepto de conservación de masa requiere que un montón de agua superficial se empuje hacia abajo. Esta acumulación de agua superficial cálida y pobre en nutrientes se bombea verticalmente hacia abajo de la columna de agua, lo que genera áreas de aguas abajo. [1]
El bombeo de Ekman tiene un impacto dramático en los entornos circundantes. El hundimiento, debido al bombeo de Ekman, conduce a aguas pobres en nutrientes, lo que reduce la productividad biológica del área. [11] Además, transporta calor y oxígeno disuelto verticalmente hacia abajo de la columna de agua a medida que el agua superficial rica en oxígeno caliente se bombea hacia las aguas profundas del océano. [11]
El bombeo de Ekman se puede encontrar a lo largo de las costas y en mar abierto. A lo largo de la costa del Pacífico en el hemisferio sur, los vientos del norte se mueven paralelos a la costa. [1] Debido al efecto Coriolis, el agua de la superficie se tira 90 ° a la izquierda de la corriente de viento, lo que hace que el agua converja a lo largo del límite de la costa, lo que provoca el bombeo de Ekman. En el mar abierto, el bombeo de Ekman se produce con giros. [1] Específicamente, en los subtrópicos, entre 20 ° N y 50 ° N, hay bombeo de Ekman a medida que los vientos alisios se desplazan hacia los vientos del oeste, lo que provoca una acumulación de agua superficial. [1]
Se deben hacer algunas suposiciones de la dinámica de fluidos involucrada en el proceso para simplificar el proceso hasta un punto en el que se pueda resolver. Las suposiciones hechas por Ekman fueron: [12]
Las ecuaciones simplificadas para la fuerza de Coriolis en las X y Y direcciones se siguen de estos supuestos:
donde es el esfuerzo del viento , es la densidad, es la velocidad este-oeste y es la velocidad norte-sur.
Integrando cada ecuación en toda la capa de Ekman:
dónde
Aquí y represente los términos de transporte de masa zonal y meridional con unidades de masa por unidad de tiempo por unidad de longitud. Contrariamente a la lógica común, los vientos norte-sur provocan el transporte masivo en la dirección este-oeste. [13]
Para comprender la estructura de la velocidad vertical de la columna de agua, las ecuaciones 1 y 2 se pueden reescribir en términos del término de viscosidad de remolino vertical.
donde es el coeficiente de viscosidad del remolino vertical.
Esto da un conjunto de ecuaciones diferenciales de la forma
Para resolver este sistema de dos ecuaciones diferenciales, se pueden aplicar dos condiciones de contorno:
Las cosas se pueden simplificar aún más considerando el viento que sopla en la dirección y solamente. Esto significa que los resultados serán relativos a un viento de norte a sur (aunque estas soluciones podrían producirse en relación con el viento en cualquier otra dirección): [14]
dónde
Al resolver esto en z = 0, se encuentra que la corriente superficial es (como se esperaba) 45 grados a la derecha (izquierda) del viento en el hemisferio norte (sur). Esto también da la forma esperada de la espiral de Ekman, tanto en magnitud como en dirección. [14] La integración de estas ecuaciones sobre la capa de Ekman muestra que el término de transporte neto de Ekman es 90 grados a la derecha (izquierda) del viento en el hemisferio norte (sur).