En oceanografía física , la circulación de Langmuir consiste en una serie de vórtices lentos, poco profundos y que giran en sentido contrario en la superficie del océano alineados con el viento. Estas circulaciones se desarrollan cuando el viento sopla de manera constante sobre la superficie del mar. Irving Langmuir descubrió este fenómeno después de observar hileras de algas en el Mar de los Sargazos en 1927. [1] Las circulaciones de Langmuir circulan dentro de la capa mixta ; sin embargo, todavía no está tan claro qué tan fuertemente pueden causar mezcla en la base de la capa mezclada. [2]
Teoría
La fuerza impulsora de estas circulaciones es una interacción del flujo medio con los flujos promediados de las ondas superficiales. La velocidad de deriva de Stokes de las olas estira e inclina la vorticidad del flujo cerca de la superficie. La producción de vorticidad en la capa superior del océano se equilibra con la difusión descendente (a menudo turbulenta).. Por un flujo impulsado por un vientocaracterizado por la velocidad de fricción la relación entre la difusión y la producción de vorticidad define el número de Langmuir [2]
donde la primera definición es para un campo de onda monocromático de amplitud , frecuencia y número de onda y el segundo usa una escala de longitud inversa genérica y escala de velocidad de Stokes . Esto se ejemplifica con las ecuaciones de Craik-Leibovich [3], que son una aproximación de la media lagrangiana . [4] [5] En la aproximación de Boussinesq, las ecuaciones que gobiernan pueden escribirse
dónde es la velocidad del fluido, es la rotación planetaria, es la velocidad de deriva de Stokes del campo de ondas de superficie, es la presión, es la aceleración debida a la gravedad, es la densidad, es la densidad de referencia, es la viscosidad, y es la difusividad.
En las condiciones del océano abierto, donde puede no haber una escala de longitud dominante que controle la escala de las células de Langmuir, se avanza el concepto de turbulencia de Langmuir . [6]
Observaciones
Se ha observado que la circulación está entre 0 ° -20 ° a la derecha del viento en el hemisferio norte [7] y la hélice forma bandas de divergencia y convergencia en la superficie. En las zonas de convergencia, comúnmente hay concentraciones de algas marinas flotantes, espuma y escombros a lo largo de estas bandas. A lo largo de estas zonas divergentes, la superficie del océano suele estar libre de escombros, ya que las corrientes divergentes obligan al material a salir de esta zona y a zonas convergentes adyacentes. En la superficie, la circulación establecerá una corriente desde la zona de divergencia a la zona de convergencia y el espacio entre estas zonas es del orden de 1 a 300 m (3 a 1 000 pies). Por debajo de las zonas de convergencia se forman chorros estrechos de flujo descendente y la magnitud de la corriente será comparable al flujo horizontal. La propagación hacia abajo será típicamente del orden de metros o décimas de metros y no penetrará en la picnoclina . El afloramiento es menos intenso y tiene lugar sobre una banda más ancha debajo de la zona de divergencia. En velocidades del viento que varían de 2 a 12 m / s (6,6 a 39,4 pies / s), la velocidad vertical máxima osciló entre 2 y 10 cm / s (0,79 a 3,94 pulgadas / s) con una relación entre las velocidades del viento de pozo y las velocidades del viento. de −0,0025 a −0,0085. [8]
Efectos biologicos
Las circulaciones de Langmuir (LC), que son vórtices de rodillos cilíndricos contrarrotantes en la parte superior del océano, tienen un papel importante en la mezcla vertical. Aunque son transitorios y su fuerza y dirección dependen de las propiedades del viento y las olas, facilitan la mezcla de nutrientes y afectan la distribución de organismos marinos como el plancton en la capa superior mixta del océano. [9] [10] Los vórtices de balanceo generados por el viento crean regiones donde los organismos de diferente flotabilidad , orientación y comportamiento de nado pueden agregarse, lo que resulta en parches. [11] De hecho, la LC puede producir una agregación significativa de algas durante eventos como la marea roja . [10] Teóricamente, el tamaño de LC aumenta con la velocidad del viento a menos que esté limitado por discontinuidades de densidad por picnoclina . Pero la visibilidad de los efectos superficiales de LC podría verse limitada por las olas rompientes durante los fuertes vientos que dispersan los materiales presentes en la superficie. [12] Por lo tanto, es más probable que los efectos superficiales de LC sean visibles durante vientos más fuertes que la velocidad crítica del viento de 3 m / s, pero no demasiado fuertes.
Además, estudios previos han demostrado que los organismos y materiales pueden agregarse en diferentes regiones dentro de LC como corriente descendente en zona convergente, corriente ascendente en zona divergente, zona de retención en vórtice LC y región entre zonas ascendentes y descendentes. [13] De manera similar, se encuentra que LC tiene una corriente de superficie a barlovento más alta en zonas convergentes debido al flujo en chorro. Esta región convergente de movimiento más rápido en la superficie del agua puede mejorar el transporte de organismos y materiales en la dirección del viento.
Efecto sobre las plantas
En 1927, Langmuir vio las filas organizadas de Sargassum natans mientras cruzaba el Mar de los Sargazos en el Océano Atlántico . A diferencia de los nadadores activos como los animales y el zooplancton, las plantas y el fitoplancton suelen ser cuerpos pasivos en el agua y su agregación está determinada por el comportamiento del flujo. En hileras, los organismos planctónicos concentrados colorean el agua e indican la presencia de LC. Se ha observado una mayor variabilidad en los arrastres de plancton recolectados a lo largo de la dirección del viento que en las muestras recolectadas perpendicularmente al viento. [14] Y una de las razones de tal variación podría deberse a la LC que da como resultado la convergencia (muestra alta) o entre zonas (muestra baja) en el arrastre a lo largo del viento. [15] De manera similar, este efecto convergente de LC también se ha observado como una zona de alta clorofila a unos 100 m en el lago Tahoe que podría deberse a un remolque oblicuo a través de LC. [16] Además, el sargazo se transporta de la superficie al bentos en la zona de descenso de LC y puede perder flotabilidad después de hundirse en profundidad durante el tiempo suficiente. [17] Algunas de las plantas que generalmente se observan flotando en el agua podrían sumergirse durante condiciones de viento fuerte debido a la corriente descendente de LC. Además, la LC también podría conducir a la aparición de parches de algas verdeazuladas ( organismos tóxicos de la marea roja ) que flotan positivamente durante las floraciones. [18] Además, se ha observado que los fitoplanctteres con flotabilidad negativa que se hundirían lentamente en aguas tranquilas quedan retenidos en la zona eufótica , lo que puede deberse a la suspensión creada por las células de convección vertical. [19] [20]
Además, un estudio más amplio sobre las supercélulas de Langmuir en las que la circulación puede llegar al fondo marino observó la agregación de macroalgas Colpomenia sp. en el fondo del mar de aguas poco profundas (~ 5 m) en Great Bahama Bank debido a la velocidad del viento local de alrededor de 8 a 13 m / s. [21] Dicha LC podría ser responsable del transporte de biomasa de carbono desde aguas poco profundas a aguas profundas . Este efecto fue evidente ya que se descubrió que la concentración de las algas se redujo drásticamente después de la aparición de LC como se observó en las imágenes de satélite en color del océano ( NASA ) durante el período del estudio. Tal agregación de macroalgas con flotabilidad negativa en el fondo del mar es similar a las hileras de partículas con flotabilidad positiva en la superficie del agua debido a la LC.
Efecto sobre los animales
Si bien las plantas tienen una reacción pasiva a la LC, los animales pueden reaccionar tanto a la LC, a la presencia de agregación de plantas / alimentos y a la luz. Una de esas observaciones fue la adaptación de Physalia a hileras que contienen Sargassum enredado . Physalia tiende a desplazarse a través de las hileras, lo que también aumenta la disponibilidad de alimentos o zooplankter en zonas divergentes. [22]
Además, los estudios en el lago Mendota han demostrado una buena correlación entre la concentración de Daphnia pulex y la aparición de líneas de espuma. De manera similar, se observaron diferencias significativas en las capturas de Daphnia hialina al muestrear dentro y fuera de las líneas espumosas en el lago de Gales del Sur, con un mayor número en la zona divergente. [23] Tal distribución de partículas y animales puede describirse utilizando un modelo matemático desarrollado por Stommel que sugirió un área de retención en la zona de afloramiento para partículas que se hunden y en la zona de afloramiento para partículas con flotación positiva. [15] En realidad, el zooplancton podría quedar atrapado en zonas de afloramiento hasta un punto en el que los animales sean estimulados a nadar hacia abajo. [24] Más tarde, Stavn desarrolló un modelo más detallado que describe la agregación de zooplancton donde la orientación del animal, la reacción de la luz dorsal y la velocidad de la corriente determinaban su región de concentración en la corriente descendente (debido a la corriente lenta), la surgencia (debido a la corriente alta) y entre las dos últimas zonas (debido a corrientes intermedias). [11] Ha habido una mejora adicional en modelos como la modificación del modelo de Stommel por Titman y Kilham para considerar la diferencia en las velocidades máximas de surgencia y surgencia [25] y por Evans y Taylor que discutió la inestabilidad de las regiones de Stommel debido a variando la velocidad de nado con la profundidad, lo que produjo trayectorias en espiral que afectaron la región de acumulación. [10]
Sin embargo, una alta concentración de organismos planctónicos dentro de LC puede atraer aves y peces. Se observaron bancos de White Bass Roccus chrysops alimentándose de Daphnia a lo largo de la pista de espuma. [26] En contraste, se observó que los flamencos menores Phoeniconaias minor se alimentaban de líneas de burbujas que contenían algas azul verdosas concentradas . [27] De manera similar, se encontró que las medusas se agregan en un patrón lineal (espaciado promedio de 129 m) paralelo al viento en el Mar de Bering, lo que podría deberse a grandes LC. [12] Tal agregación puede afectar la alimentación y depredación de las medusas .
Efecto sobre la tensión superficial
La alta concentración de tensioactivos (sustancias tensioactivas) producidas por los fitoplancton puede resultar en un mayor estrés de Marangoni en las regiones convergentes en LC. La simulación numérica sugiere que tal estrés de Marangoni debido al surfactante puede aumentar el tamaño de las estructuras vorticales, la velocidad vertical y la remezcla de agua y componentes biológicos / químicos en la región local en comparación con la que no tiene surfactante. [28]
Finalmente, se necesitan más investigaciones teóricas y experimentales para confirmar la importancia de LC.
Referencias
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enlaces externos
- Medios relacionados con la circulación de Langmuir en Wikimedia Commons