Capa mixta

La capa mixta desempeña un papel fundamental en el clima físico. Debido a que el calor específico del agua del océano es mucho mayor que el del aire, los primeros 2,5 m del océano retienen tanto calor como toda la atmósfera que se encuentra por encima. Por lo tanto, el calor necesario para elevar la temperatura de una capa mixta de 2,5 m en 1  °C sería suficiente para aumentar la temperatura de la atmósfera en 1  °C. La profundidad de la capa mixta es, por consiguiente, crucial para determinar el rango de temperaturas en las regiones oceánicas y costeras. Además, el calor almacenado en la capa mixta oceánica constituye una fuente de calor que impulsa la variabilidad global, como el fenómeno de El Niño .

La capa mixta también es importante, ya que su profundidad determina el nivel promedio de luz que reciben los organismos marinos. En capas mixtas muy profundas, los diminutos organismos marinos conocidos como fitoplancton no pueden obtener suficiente luz para mantener su metabolismo. Por lo tanto, el aumento de la profundidad de la capa mixta durante el invierno en el Atlántico Norte se asocia con una fuerte disminución de la clorofila a superficial. Sin embargo, esta mezcla profunda también repone las reservas de nutrientes cercanas a la superficie. Así, cuando la capa mixta se vuelve menos profunda en primavera y aumentan los niveles de luz, suele producirse un aumento concomitante de la biomasa de fitoplancton, conocido como la " floración primaveral ".

Hay tres fuentes principales de energía para impulsar la mezcla turbulenta dentro de la capa mixta del océano abierto. La primera son las olas oceánicas, que actúan de dos maneras. La primera es la generación de turbulencia cerca de la superficie del océano, que agita el agua ligera hacia abajo. ^{[ 1 ]} Aunque este proceso inyecta una gran cantidad de energía en los primeros metros, la mayor parte se disipa con relativa rapidez. ^{[ 2 ]} Si las corrientes oceánicas varían con la profundidad, las olas pueden interactuar con ellas para impulsar el proceso conocido como circulación de Langmuir , grandes remolinos que agitan hasta profundidades de decenas de metros. ^{[ 3 ] [ 4 ]} La segunda son las corrientes impulsadas por el viento, que crean capas en las que hay cizalladuras de velocidad. Cuando estas cizalladuras alcanzan una magnitud suficiente, pueden erosionar el fluido estratificado. Este proceso se describe y modela a menudo como un ejemplo de inestabilidad de Kelvin-Helmholtz , aunque otros procesos también pueden desempeñar un papel. Finalmente, si el enfriamiento, la adición de salmuera proveniente del hielo marino congelado o la evaporación en la superficie provocan un aumento de la densidad superficial, se producirá convección . Las capas mixtas más profundas (que superan los 2000 m en regiones como el mar de Labrador ) se forman mediante este último proceso, que es una forma de inestabilidad de Rayleigh-Taylor . Los primeros modelos de la capa mixta, como los de Mellor y Durbin, incluían estos dos últimos procesos. En las zonas costeras, las altas velocidades debidas a las mareas también pueden desempeñar un papel importante en el establecimiento de la capa mixta.

La capa mixta se caracteriza por tener propiedades casi uniformes, como la temperatura y la salinidad, a lo largo de toda su extensión. Sin embargo, las velocidades pueden presentar variaciones significativas dentro de la capa mixta. El fondo de la capa mixta se caracteriza por un gradiente , donde cambian las propiedades del agua. Los oceanógrafos utilizan diversas definiciones del valor que se usa como profundidad de la capa mixta en un momento dado, basándose en mediciones de las propiedades físicas del agua. A menudo, un cambio abrupto de temperatura, llamado termoclina , marca el fondo de la capa mixta; a veces también puede haber un cambio abrupto de salinidad, llamado haloclina . La influencia combinada de los cambios de temperatura y salinidad da como resultado un cambio abrupto de densidad, o picnoclina . Además, los fuertes gradientes de nutrientes (nutriclina) y oxígeno (oxiclina), así como un máximo en la concentración de clorofila , suelen coincidir con la base de la capa mixta estacional.

La profundidad de la capa mixta se determina a menudo mediante hidrografía, es decir, midiendo las propiedades del agua. Dos criterios que se utilizan con frecuencia para determinar la profundidad de la capa mixta son la temperatura y el cambio de sigma- t (densidad) con respecto a un valor de referencia (generalmente la medición superficial). El criterio de temperatura utilizado en Levitus ^{[ 5 ]} (1982) define la capa mixta como la profundidad a la que el cambio de temperatura con respecto a la temperatura superficial es de 0,5  °C. Sin embargo, el trabajo realizado por Kara et al. (2000) sugiere que la diferencia de temperatura es más cercana a 0,8  °C. ^{[ 6 ]} El criterio de sigma- t (densidad) utilizado en Levitus ^{[ 5 ]} utiliza la profundidad a la que se ha producido un cambio con respecto a la sigma- t superficial de 0,125. Ninguno de los criterios implica que se esté produciendo una mezcla activa hasta la profundidad de la capa mixta en todo momento. Más bien, la profundidad de la capa mixta estimada a partir de la hidrografía es una medida de la profundidad a la que se produce la mezcla a lo largo de unas pocas semanas.

Ejemplo del espesor de la capa barrera para un perfil Argo tomado el 31 de enero de 2002 en el Océano Índico tropical. La línea roja representa el perfil de densidad, la línea negra la temperatura y la línea azul la salinidad. Una profundidad de la capa mixta, D _T-02 , se define como la profundidad a la que la temperatura superficial disminuye 0,2 °C (línea discontinua negra). La capa mixta definida por densidad, D _sigma , es de 40 m (línea discontinua roja) y se define como la densidad superficial más la diferencia de densidad producida por el incremento de temperatura de 0,2 °C. Por encima de D _sigma , el agua es isotérmica e isohalina. La diferencia entre D _T-02 y D _sigma es el espesor de la capa barrera (flechas azules en la figura)..

El espesor de la capa barrera (BLT) es una capa de agua que separa la capa superficial bien mezclada de la termoclina . ^{[ 7 ]} Una definición más precisa sería la diferencia entre la profundidad de la capa mixta (MLD) calculada a partir de la temperatura menos la profundidad de la capa mixta calculada utilizando la densidad. La primera referencia a esta diferencia como la capa barrera fue en un artículo que describía observaciones en el Pacífico occidental como parte del Estudio de Circulación Oceánica del Pacífico Ecuatorial Occidental . ^{[ 8 ]} En las regiones donde está presente la capa barrera, la estratificación es estable debido a la fuerte fuerza de flotabilidad asociada con una masa de agua dulce (es decir, más flotante) que se encuentra sobre la columna de agua.

En el pasado, un criterio típico para la MLD era la profundidad a la que la temperatura superficial se enfría debido a algún cambio de temperatura con respecto a los valores superficiales. Por ejemplo, Levitus ^{[ 5 ]} usó 0,5  °C. En el ejemplo de la derecha,  se usa 0,2 °C para definir la MLD (es decir, D _T-02 en la figura). Antes de la abundante salinidad subsuperficial disponible de Argo , esta era la metodología principal para calcular la MLD oceánica. Más recientemente, se ha utilizado un criterio de densidad para definir la MLD. La MLD derivada de la densidad se define como la profundidad donde la densidad aumenta con respecto al valor superficial debido a una disminución de temperatura prescrita de algún valor (por ejemplo, 0,2  °C) con respecto al valor superficial mientras se mantiene constante el valor de salinidad superficial. (es decir, D _T-02 - D _sigma ).