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Doble difusion a partir de mediciones de microestructura en los canales Martinez y Baker, Patagonia chilena central (47,85[grados]S).

Double diffusion from microstructure measurements in the Martinez and Baker channels, central Chilean Patagonia (47.85[grados]S)

El proceso de doble difusion ocurre cuando el gradiente vertical de temperatura y salinidad tienen el mismo signo, lo cual no es usual en mar abierto. Este proceso se divide en Doble Difusion Convectiva (DDC) (gradientes verticales con signo negativo) y Dedos de Sal (DS) (gradientes verticales con signo positivo) (Schmitt, 1994; You, 2002). En la DDC la temperatura y la salinidad aumentan con la profundidad, mientras que en los DS ocurre lo contrario (Schmitt, 2001).

El atlas global climatologico de la doble difusion evidencia que este proceso es favorable en el 44% de los oceanos, correspondiendo el 30% a los DS y el 14% a la DDC (You, 2002). En ese estudio el potencial de ocurrencia de los DS fue reportada en aguas centrales y profundas donde la evaporacion fue mayor a las precipitaciones, e.g. en el norte del Oceano Indico, el este del Atlantico norte, Mar Rojo y Mar Mediterraneo. Sin embargo, la DDC se observo en la region polar y subpolar del Artico y la Antartida, golfo de Alaska y de Okhostsk, y el mar de Labrador y Noruega. En estas regiones la capa superficial del mar es mas fria y menos salada debido a los aportes del derretimiento de hielo (You, 2002). Por lo tanto, agua fria y menos salada se situa encima de agua mas calida y salada, ocurriendo una transferencia de calor de abajo hacia arriba generando una conveccion vertical (Schmitt, 2001).

En dicho atlas climatologico no se incluyeron las mediciones hidrograficas realizadas en los fiordos y canales de la Patagonia chilena. Considerando que, en estos lugares influenciados por agua dulce, la salinidad tipicamente aumenta con la profundidad y que la temperatura tambien lo hace a ciertas profundidades, se espera que ocurra la DDC (Farmer & Freeland, 1983). Para detectar la DDC, se realizo una expedicion cientifica, cerca de la caleta Tortel (canal Martinez, desembocadura del rio Baker y canal Baker) en la Patagonia Central de Chile (Fig. 1a). En esta campana oceanografica se uso un microperfilador SCAMP (Self Contained Autonomous MicroProfile) que permite registrar la variacion vertical de la temperatura y salinidad del mar a 100 Hz, lo cual resulta en una alta resolucion vertical (alrededor de 1 mm). Las mediciones se realizaron en 19 estaciones durante diciembre 2011 (Fig. 1a).

Los registros se promediaron cada 10 cm para el calculo del angulo de Turner (Tu), el cual cuantifica e identifica la presencia de la DDC. Para esto se empleo la metodologia propuesta en TEOS-10 (Thermodynamic Equation of Seawater-2010). TEOS-10 introduce nuevas variables derivadas en la oceanografia, e.g. la salinidad absoluta ([S.sub.A]) y la temperatura conservativa ([THETA]) (IOC et al., 2010). La salinidad absoluta (unidades g [kg.sup.-1]) representa la variacion espacial de la composicion de agua de mar, teniendo en cuenta sus diferentes propiedades termodinamicas y el gradiente de densidad horizontal en el oceano abierto. Por otro lado, la temperatura conservativa es similar a la temperatura potencial, pero representa con mas precision el contenido de calor del agua de mar.

El angulo de Turner (expresado en grados de rotacion), fue utilizado por primera vez por Ruddick (1983) para determinar las contribuciones de la doble difusion en datos hidrograficos. Tambien es un metodo para estudiar la presencia de los dedos de sal y cuantificar la influencia relativa de la temperatura y la salinidad en la estratificacion de la columna de agua. Se define como, Tu = arctan (R[rho]), donde R[rho] es el radio de estabilidad (o razon de densidad), y en TEOS-10 la ecuacion utilizada es la siguiente:

Tu = [tan.sup.-1]([[alfa].sup.[theta]] [[THETA].sub.z] + [[beta].sup.[theta]] [([S.sub.A]).sub.Z], [[alfa].sup.[theta]] [[THETA].sub.z] - [[beta].sup.[theta]][([S.sub.A]).sub.Z])

donde, [[alfa].sup.[theta]] = - [[rho].sup.-1]([delta][rho]/[delta][THETA]) es el coeficiente de expansion

termica, [[beta].sup.[theta]] = - [[rho].sup.-1]([delta][rho]/[delta][S.sub.A]) el coeficiente de contraccion halina y [rho] es la densidad del mar; el subindice z indica diferenciacion con respecto a la profundidad.

Para la interpretacion del angulo de Turner se utilizo el esquema propuesto por You (2002; su figura 3), donde Tu es expresado en cuatro cuadrantes de la funcion arco-tangente. Asi, un valor de Tu entre -45[grados] y -90[grados] demuestra que el proceso de DDC puede ocurrir. Cuando Tu se encuentra entre 45[grados] y 90[grados] la estructura de los DS se puede observar en los datos hidrograficos y, cuando Tu muestra valores entre -45[grados] y 45[grados], la estratificacion de la columna de agua es posible debido a la temperatura o la salinidad de acuerdo a esta clasificacion; la DDC tambien puede ser dividida en fuerte (Tu entre -90[grados] y -75[grados]), media (Tu entre -75[grados] y -60[grados]) y debil (Tu entre -60[grados] y -45[grados]).

Los perfiles de temperatura y salinidad del mar de la estacion 19, muestran a partir de los 12 m la forma de escaleras (Figs. 2a-2b), evidenciando por tanto el proceso de doble difusion. En esta estacion los peldanos (capas mezcladas) de las escaleras tienen una profundidad de ~2-3 m (Figs. 2c-2d).

La figura 3, muestra los perfiles de la temperatura conservativa (Fig. 3a), la salinidad absoluta (Fig. 3b) y la frecuencia de flotabilidad o de Brunt-Vaisala (Fig. 3c), en cinco estaciones distribuidas en diferentes areas de la region de estudio. Asi, las estaciones 5, 10 y 13 se localizan en el canal Martinez, influenciadas por los aportes del rio Baker y el estero Steffen, la estacion 15 se encuentra cerca del glaciar Montt y la 19 al sur de la isla Briceno (Fig. 1a). En estas estaciones se pueden apreciar eventos de DDC justo donde la temperatura y salinidad aumentan ligeramente hasta los ~7 primeros metros de profundidad, aproximadamente 2 m por sobre la picnoclina (Fig. 3).

[FIGURA 1 OMITIR]

Debajo de la picnoclina, nuevamente se observo la DDC con un mayor numero de eventos entre 15 y 45 m. La ocurrencia de algunos eventos de DS se detectaron en la superficie y entre 35 y 43 m, debido a pequenos cambios de signo de ambas variables (la temperatura y salinidad disminuyeron con la profundidad). La DDC se mostro debil (Tu entre -60[grados] y -45[grados]) en la mayoria de los registros, pero algunos mostraron intensidad media (Tu entre -75[grados] y -60[grados]) y fuerte (Tu entre -90[grados] y -75[grados]) (Fig. 3d). Bajo los 30 m, la temperatura comenzo a disminuir con la profundidad en la mayoria de los perfiles; exceptuando la estacion 15 cerca del glaciar Montt; mientras la salinidad continuo aumentando (Figs. 3a-3b). A partir de esa profundidad, comienzan a desaparecer las condiciones que propician la ocurrencia de la DDC (la temperatura y salinidad aumentan con la profundidad), registrandose un gran numero de eventos en el rango de valores de Tu entre -45[grados] y 45[grados] (Fig. 3d). Esto indica que la estratificacion de la columna de agua es posible, aunque en esta profundidad no se presente su maximo, reportado con anterioridad entre 7 y 10 m de profundidad (Fig. 3c).

Las mediciones hidrograficas de alta resolucion vertical realizadas con el microperfilador SCAMP permitieron reportar, por primera vez, la ocurrencia de la doble difusion en fiordos de la Patagonia central de Chile. En general, este proceso se presento como DDC debido a la presencia de las masas de aguas frias y menos salinas encima de aguas mas calidas y salinas en los primeros 50 m de la columna de agua (Fig. 3b). Las masas de agua se clasificaron de acuerdo al criterio de la salinidad presentado por Sievers & Silva (2008). Bajo ~12 m se determino la presencia del Agua Estuarina Salada (AES), con temperaturas mas bajas y salinidades menores que el Agua Subantartica Modificada (ASAAM) situada por debajo de esta. Hacia el fondo se encontro el Agua Subantartica (ASAA), que fue mas calida y salina que las masas de aguas superiores (AES y ASAAM), (Figs. 3b-3d).

[FIGURA 2 OMITIR]

[FIGURA 3 OMITIR]

El intercalamiento de las masas de agua favorecio la transferencia de calor hacia arriba, provocando que la capa situada por debajo aumentara su densidad y entonces se hundiera, originando un efecto en cascada en direccion hacia el fondo, que se detiene cuando la conveccion ya no es posible. En los primeros 7 m de la columna de agua, donde tambien se reporto la DDC, esta debio originarse por la ligera perdida de calor en la superficie debido a los procesos de interaccion oceano-atmosfera que ocurren en la capa superficial durante la epoca de primavera y verano (Silva & Calvete, 2002).

Por otra lado, la mayor cantidad de eventos de DDC media y fuerte se localizaron en el canal Martinez, mientras en la zona cercana al glaciar Montt se observo la DDC mas debil (no se muestra la figura). Si bien, los aportes de agua dulce de los rios Baker y Pascua y aquellos procedentes del derretimiento, principalmente del glaciar Montt, que permitieron que el agua dulce se extendiera de forma homogenea en la capa superficial de los canales, fueron primordialmente las diferencias de la temperatura del agua las que influyeron en los cambios de la DDC de debil a media y fuerte. La descarga de aguas frias (4-6[grados]C), desde el glaciar Montt, originaron una conveccion por debajo de la estratificacion y hasta el final de las mediciones (~50 m), formando una capa homogenea que disminuyo el gradiente de temperatura, haciendo que la DDC fuera debil en esta region. Ademas, en esta zona, no se observo la presencia de las masas de aguas oceanicas y mezcladas, e.g., ASAAM y ASAA, debido a que la fuerte conveccion por temperatura no solo profundizo las isotermas, sino tambien las isohalinas, resultando entonces en un menor gradiente de salinidad, que tambien contribuyo a la disminucion de la intensidad de la DDC. La ocurrencia de la DDC por debajo de la capa estratificada de la columna de agua (7-10 m) conjuntamente con el viento, mareas y ondas internas (Aiken, 2008), constituyen un mecanismo importante para la mezcla vertical, influenciando el habitat de las especies marinas en estas profundidades y a la exportacion de carbono hacia los sedimentos (Gonzalez et al., 2011). Queda por determinar la magnitud de los flujos de calor hacia la superficie desde el ASAA por medio del mecanismo de la DDC. Dicha cuantificacion permitira proponer si la DDC pudiera ser un mecanismo que favorece el derretimiento de hielo en cuerpos de agua delimitados por capa de hielo superficiales. La deteccion e implicancias fisicas y biologicas de la DDC en el sistema de fiordos y canales de la Patagonia chilena abren una nueva linea de investigacion en que la ciencia marina podra concentrar su atencion en el futuro.

DOI: 103856/vol41-issue1-fulltext-16

AGRADECIMIENTOS

Los resultados obtenidos en esta investigacion forman parte del proyecto Postdoctoral FONDECYT-3120038 del Dr. Ivan Perez-Santos. Ademas, cuenta con el apoyo del proyecto FONDAP-COPAS, RP1 y el COPAS Sur-Austral, linea 4. Finalmente, queremos agradecer el apoyo en terreno del tecnico Rodrigo Mansilla.

REFERENCIAS

Aiken, C.M. 2008. Barotropic tides of the Chilean Inland Sea and their sensitivity to basin geometry. J. Geophys. Res., 113, C08024, doi: 10.1029/2007 JC004593.

Farmer, D.M. & H.J. Freeland. 1983. The physical oceanography of fjords. Prog. Oceanogr., 12: 147-220.

Gonzalez, H.E., L. Castro, G. Daneri, J.L. Iriarte, N. Silva, C. Vargas, R. Giesecke & N. Sanchez. 2011. Seasonal plankton variability in Chilean Patagonia fjords: carbon flow through the pelagic foodweb of the Aysen Fjord and plankton dynamics in the Moraleda Channel basin. Cont. Shelf Res., 31: 225-243.

Intergovernmental Oceanographic Commission (IOC), SCOR & IAPSO. 2010. The international thermodynamic equation of seawater--2010: Calculation and use of thermodynamic properties. IOC Manuals and Guides No. 56, UNESCO, 196 pp.

Ruddick, B.R. 1983. A practical indicator of the stability of the water column to double-diffusive activity. Deep-Sea Res., 30: 1105-1107.

Schmitt, R.W. 1994. Double diffusion in oceanography. Annu. Rev. Fluid Mech., 26: 255:285.

Schmitt, R.W. 2001. Double-Diffusive convection. Encyclopedia of Ocean Sciences, R.A. Weller, S. 3100-314, doi:10.1006/rwos.2001.0159.

Sievers, H. & N. Silva. 2008. Water masses and circulation in austral Chilean channels and fjords. In:

N. Silva & S. Palma (eds.). Progress in the oceanographic knowledge of Chilean interior waters, from Puerto Montt to Cape Horn. Comite Oceanografico Nacional-Pontificia Universidad Catolica de Valparaiso, Valparaiso, pp. 53-58.

Silva, N. & C. Calvete. 2002. Physical and chemical oceanographic features of southern Chilean inlets between Penas Gulf and Magellan Strait (Cimar-Fiordo 2 cruise). Cienc. Tecnol. Mar, 25(1): 23-88.

You, Y. 2002. A global ocean climatological atlas of the Turner angle: implications for double-diffusion and water-mass structure. Deep-Sea Res., 1(49): 20752093.

Received: 26 March 2012; 17 January 2013

Ivan Perez-Santos (1,3), Jose Garces-Vargas (2), Wolfgang Schneider (1,3), Sabrina Parra (4) Lauren Ross (4) & Arnoldo Valle-Levinson (4)

(1) Departamento de Oceanografia, Universidad de Concepcion, Campus Concepcion Victor Lamas 1290, P.O. Box 160-C, Concepcion, Chile

(2) Instituto de Ciencias Marinas y Limnologicas, Facultad de Ciencias Universidad Austral de Chile, Edificio Pujin, Campus Isla Teja, Valdivia, Chile

(3) Centro COPAS Sur-Austral, Universidad de Concepcion, Campus Concepcion P.O. Box 160-C, Concepcion, Chile

(4) Department of Civil and Coastal Engineering, University of Florida Gainesville, FL 32611, USA

Corresponding author: Ivan Perez-Santos (ivanperez@udec.cl)
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Author:Perez-Santos, Ivan; Garces-Vargas, Jose; Schneider, Wolfgang; Parra, Sabrina; Ross, Lauren; Valle-Le
Publication:Latin American Journal of Aquatic Research
Date:Mar 1, 2013
Words:2387
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