Mes: septiembre 2024

Científicos de las Universidades de Granada y Zaragoza han publicado una investigación en la revista Ocean Modelling en la que analizan el modelo de Ekman, una teoría clásica que ofrece una explicación sobre cómo las corrientes oceánicas impulsadas por el viento giran con la profundidad. La teoría de Ekman muestra la importancia de la rotación terrestre –efecto Coriolis– y la turbulencia en la columna de agua en las corrientes oceánicas producidas por el viento. Hoy en día, los términos Transporte de Ekman, Capa de Ekman y Espiral de Ekman aparecen y se estudian en la mayoría de los libros de texto oceanográficos.

Sin embargo, la teoría clásica de Ekman considera condiciones que rara vez se encuentran en el océano real, a saber, un océano de profundidad infinita y completamente mezclado sin estratificación. Por ello, las corrientes proporcionadas por el modelo de Ekman difícilmente reproducen datos de corrientes reales. Estas limitaciones son las que han motivado a los investigadores de la UGR y de UNIZAR a revisitar esa teoría. La investigación ha sido parcialmente auspiciada por los proyectos DICHOSO, coordinado por el Instituto de Ciencias Marinas de Andalucía (ICMAN-CSIC), y EPICOS, coordinado por el Grupo de Dinámica de Flujos Ambientales (GDFA-UGR). El pilar de este trabajo es la integración de ingredientes realistas en un único modelo que extiende y mejora la descripción de las corrientes marinas que hace el modelo de Ekman.

La historia detrás de esta teoría comienza a finales del siglo XIX, en el Ártico, cuando el explorador noruego Fridtjof Nansen se embarcó en el Fram y se dejó atrapar por los hielos del Ártico con el objetivo de que la deriva de la banquisa le permitiera alcanzar el Polo Norte. No logró alcanzarlo, pero en su periplo realizó sorprendentes observaciones oceanográficas. Quizás la más notable fue que, si bien era el viento el principal responsable de las corrientes marinas, éstas no seguían su misma dirección. Nansen supuso acertadamente que la rotación terrestre era la responsable de tal desviación. Esta idea sería física y matemáticamente formalizada en 1905 por Vagn Walfrid Ekman, que pudo así explicar las observaciones de Nansen.

“En realidad no estamos cuestionando la teoría clásica de Ekman, que ha demostrado ser extraordinariamente útil para entender muchos fenómenos que ocurren en el océano, como el afloramiento de masas de agua profunda en mares costeros y que favorecen la productividad biológica en esas zonas. Al contrario, nuestro trabajo extiende las soluciones del modelo clásico de Ekman a condiciones más complejas y permitirá entender mejor y ganar intuición sobre qué factores físicos controlan en mayor medida las observaciones reales en océanos reales”, explican los investigadores.

La mayoría de los estudios previos han tratado de paliar las limitaciones del modelo de Ekman o bien suponiendo que el nivel de turbulencia inducido por el viento en la columna de agua es variable o bien considerando océanos de profundidad finita; rara vez han considerado presencia de gradientes de densidad horizontales, como ocurre en mares costeros. El trabajo que proponen estos investigadores analiza conjuntamente estos tres efectos en la circulación inducida por viento en la columna de agua.

En definitiva, explican los autores de esta investigación, “los resultados de este nuevo trabajo son relevantes para la comprensión de la circulación de masas de agua en muchos sistemas. Aunque poco explorado, los efectos del viento y gradientes 3D de temperatura y salinidad juegan un papel importante en la circulación de Puerto Foster, en Isla Decepción, así como en los intercambios de agua y solutos con el Estrecho de Bransfield y el Océano Antártico, en general. Los perfiles de corrientes observados en Puerto Foster se alejan de lo que el modelo de Ekman predice. Sin embargo, los resultados del modelo que proponemos nos acercan un poco más a las observaciones reales y su correcta interpretación. Esperamos que estos resultados contribuyan a los objetivos del proyecto DICHOSO, entre los que se encuentra comprender el papel de los ciclos biogeoquímicos en la producción primaria de este Océano del que tanto desconocemos.”

Los autores del trabajo han realizado más de 10.000 simulaciones para obtener soluciones mejoradas de la circulación en la columna de agua en zonas próximas a la costa considerando tanto una turbulencia inducida por viento dependiente de la profundidad, estratificación en la columna de agua, así como los gradientes horizontales de densidad típicos de zonas influenciadas por desembocaduras, desde condiciones bien mezcladas a altamente estratificadas en un océano de profundidad finita. Todas las simulaciones ejecutadas fueron simuladas mediante el uso de métodos numéricos de alta resolución para capturar con precisión dicha capa de Ekman.

Llorente, V.J.; Padilla, E.M.; Díez-Minguito, M. (2024) Sensitivity of boundary layer features to depth-dependent baroclinic pressure gradient and turbulent mixing in an ocean of finite depth. Ocean Modelling 189, 102359. https://doi.org/10.1016/j.ocemod.2024.102359

Víctor J. Llorente, Enrique M. Padilla y Manuel Díez-Minguito presentan en el «9th European Congress on Computational Methods in Applied Sciences and Engineering» (ECCOMAS 2024) en Lisboa resultados de la circulación inducida por viento en cuentas semi-cerradas.