Horizontal Transport and Mixing and their connection with Dynamical and Biological Processes in the Ocean

Resumen

Los procesos de mezcla y transporte horizontal son esenciales para el estudio de la dinámica física, química, y biológica del océano. Una correcta comprensión y un modelaje preciso de estos procesos son relevantes desde el punto de vista teórico, y son cruciales para una variedad de problemas prácticos, como la dinámica del plancton o el control de vertidos contaminantes. En este sentido, los últimos años han visto brotar nuevos e interesantes desarrollos en lo que a la descripción Lagrangiana de fenómenos de transporte y mezcla se refiere, muchos de ellos provenientes del área de la dinámica no-lineal. Estas aproximaciones no tienen como objetivo predecir trayectorias individuales de trazadores, sino localizar estructuras espaciales que son conocidas en la teoría de sistemas dinámicos como estructuras que actúan de esqueleto organizador del flujo en su totalidad (Leong and Ottino, 1989; Wiggins, 1992). Esto se debe principalmente a la capacidad de los diagnósticos Lagrangianos de explorar la variabilidad espaciotemporal del campo de velocidades mediante el seguimiento de trayectorias de partículas de fluido, a diferencia de las Eulerianas las cuales analizan mapas instantáneos de datos. Entre estas técnicas Lagrangianas, una clase con mucho potencial consiste en el cálculo de los exponentes de Lyapunov locales (LLE), los cuales miden la dispersión relativa de partículas transportadas. En particular, están los llamados exponentes de Lyapunov de tamaño finito (FSLEs) donde uno calcula el tiempo que tardan dos trayectorias, inicialmente separadas por un distancia finita, el separarse una distancia finita final más larga. Los LLEs están atrayendo la atención de la comunidad oceanográfica. Las principales razones de este interés son las siguientes: a) identifican y muestran las estructuras dinámicas del flujo que fuertemente organizan el movimiento del fluido (Estructuras Coherentes Lagrangianas (LCSs)) como vórtices, barreras de transporte, frentes, etc; b) son relativamente fáciles de calcular; c) proporcionan información extra sobre las escalas de tiempo característicos de la dinámica del flujo oceánico; d) son capaces de revelar estructuras oceánicas por debajo de la resolución nominal del campo de velocidades que es analizado; y e) Los FSLEs son especialmente apropiados para analizar transporte en áreas cerradas. A pesar del creciente número de aplicaciones de los FSLEs, sigue faltando un análisis sistemático de muchas de sus propiedades y de su eficacia para diagnosticar propiedades de transporte oceánico a diferentes escalas. El objetivo general de esta tesis se ha orientado hacia el estudio de los procesos físicos y biológicos del océano relacionados con el transporte y mezcla desde el punto de vista Lagrangiano. El estudio ha sido realizado con la idea de caracterizar propiedades de transporte y estructuras coherentes en diferentes escalas, desde escalas costeras a la planetaria. Tras una breve introducción y una descripción de la metodología en los primeros capítulos, en el Capítulo 3 abordamos las siguientes preguntas: ¿Cómo se propagan los errores del campo de velocidad en los FSLEs? ¿Es válida la información que proporcionan los FSLEs por debajo de la resolución espacial del campo de velocidades, o solo un artificio? ¿Cómo se transforman bajo cambios de escala? Para estudiar esto, calculamos los FSLEs a diferentes resoluciones espaciales y analizamos sus propiedades de escala y su respuesta a dos fuentes de error diferentes, en los datos de velocidad y en la manera en la que las trayectorias de las partículas son calculadas. Para seguir en la línea de las aplicaciones oceanográficas utilizamos datos numéricos de velocidades de superficie marina del Mar Mediterráneo. Una vez que la fiabilidad de los diagnósticos de FSLEs en flujos oceánicos ha sido estudiado, centramos la investigación en la aplicación de esta herramienta para analizar propiedades de transporte marino, desde una particular área costera hasta el océano global. En el Capítulo 4, el campo de velocidades de una capa cercana a la superficie obtenido de un modelo oceánico de circulación general ha sido analizado usando los FSLEs para abordar las siguientes cuestiones: ¿Podemos clasificar el océano en regiones con diferentes propiedades de transporte usando FSLEs? ¿Cómo es la relación entre descriptores Lagrangianos y Eulerianos? ¿Podemos obtener la misma información sobre transporte desde ambas perspectivas? Comenzamos este estudio con una caracterización de las propiedades de agitación y mezcla de los hemisferios Norte y Sur, y después de las principales cuencas y corrientes oceánicas. Después estudiamos la relación entre los promedios de FSLEs y algunos descriptores Eulerianos como la energía cinética de remolino y la vorticidad relativa en diferentes regiones. Estas relaciones son muy útiles a la hora de caracterizar la dinámica de diferentes áreas del océano. El Capítulo 5 está dedicado al estudio de estructuras turbulentas y al transporte en el área costera de la Bahía de Palma, Isla de Mallorca, en términos de FSLEs y tiempos de residencia. ¿Podemos detectar LCSs de pequeña escala en flujos costeros? ¿Son estas estructuras relevantes para la dinámica del fluido en una región costera? ¿Cómo podemos caracterizar el transporte entre la costa y el océano? Para contestar estas preguntas investigamos el carácter de las semi-persistentes LCSs obtenidas de los cálculos. Estudiamos el intercambio de partículas de fluido entre la Bahía de Palma y el océano calculando trayectorias de partículas y tiempos de residencia en diferentes meses. Examinamos la conexión entre las LCSs y las regiones costeras con diferentes propiedades de transporte en términos de escalas de tiempo dados por los tiempos de residencia. Finalmente, en el Capítulo 6 nos centramos en la influencia que tienen los procesos de transporte sobre los ecosistemas marinos en las zonas de afloramiento de los límites orientales de las cuencas oceánicas. En particular, analizamos los factores físicos relacionados con la productividad de plancton en el sistema de afloramiento de Benguela. Estudios recientes, basados en datos de teledetección y en modelos acoplados, han mostrado que en las zonas de afloramiento hay una reducción de la actividad biológica en las áreas donde hay más agitación horizontal. Para entender mejor este fenómeno, hemos considerado un sistema de un fluido oceánico en la zona de Benguela acoplado a un simple modelo biogeoquímico de tipo Nutrientes-Fito-Zooplancton (NPZ). Nuestro modelo aproximado confirma que en el sur de Benguela hay una reducción de la producción biológica cuando la actividad de mesoescala aumenta. La advección horizontal hacia el océano y diferencias norte-sur en la tasa de crecimiento biológico parecen ser los procesos dominantes implicados.