Martín Jacques Coper, investigador principal (CR)2; Catalina Aguirre, investigadora asociada (CR)2; y Laura Farías, co-investigadora principal (CR)2.
En ciencias de la Tierra es recurrente el término de “estratos”. Se usa, por ejemplo, en geología –precisamente por la estratigrafía– para denominar capas del subsuelo con distinta composición o características. En ese caso, la superposición de estratos de un cierto lugar permite inferir su evolución geológica y climática, pues, aunque esta parezca estática en la escala de tiempo humana, la verdad es que, a escalas temporales mucho mayores, hay dinamismo. Eso en cuanto a las rocas, que son sólidas.
En el caso de los fluidos, el fenómeno es bastante distinto. La presencia o ausencia de distintas capas de fluido estará controlada en gran parte por el principio de Arquímedes. Este principio sostiene que el comportamiento de un objeto al estar sumergido dentro de un fluido puede ser de tres formas: 1) si el objeto es más denso que el fluido en el cual está sumergido, el objeto se hundirá; 2) si la densidad del objeto es igual a la del fluido en el cual está sumergido, el objeto no se hundirá ni flotará en la superficie; 3) si el objeto es menos denso que el fluido en el cual está sumergido, el objeto flotará en la superficie del fluido. Este principio se aplica, en particular, a parcelas de un fluido inicialmente homogéneo que por distintos procesos pueden adquirir una densidad distinta a la de su entorno.
Así, en la atmósfera también podemos distinguir capas que se sobreponen unas a otras en la vertical. La capa más cercana a la superficie de la Tierra es la tropósfera, que tiene entre 10 y 20 kilómetros de espesor (dependiendo de la latitud) y contiene un 75 % de la masa total de la atmósfera y casi todo su vapor de agua. En la tropósfera, la temperatura decae con la altura. Imaginémonos que la radiación solar induce el calentamiento de la superficie de la Tierra, que a su vez calienta una parcela de aire en la capa inferior de la atmósfera. Esta parcela de aire se volverá menos densa respecto a su entorno y ascenderá en la tropósfera mientras se mantenga esta condición. Producto de este ascenso del aire en la tropósfera es que ocurren muchos fenómenos meteorológicos cotidianos, como las tormentas. Es por esto que en meteorología se dice que en la tropósfera puede haber mezcla vertical. Por sobre la tropósfera se ubica la estratósfera, que tiene unos 30 a 40 kilómetros de espesor. Esta capa recibe su nombre porque está “estratificada”, debido a que la temperatura del aire aumenta con la altura. Esto limita fuertemente la mezcla vertical en la estratósfera. En otras palabras, resulta imposible para una parcela ascender en un entorno que se vuelve cada vez más cálido y menos denso con la altura.
Para ilustrar casos de estratificación, imaginemos un recipiente con aceite y vinagre. El aceite, menos denso, tiende a posicionarse sobre el vinagre. Podemos mezclarlo mecánicamente entregando energía al sistema al revolverlo con una cucharita. Sin embargo, con el tiempo, este sistema volverá a estratificarse, porque no se logra una mezcla uniforme de ambas sustancias. Otro ejemplo es el de una taza de café caliente a la que le echamos leche fría. Esta tenderá a irse hacia el fondo. Si mezclamos ambos líquidos, en esta oportunidad alcanzaremos una temperatura y una densidad promedios y una composición más o menos homogénea. Es decir, habremos destruido la estratificación… y tendremos un rico café con leche bien mezclado.
Ahora que hablamos de líquidos, pasemos al océano. A diferencia de la atmósfera, en la que los grandes cambios de temperatura ocurren en su parte inferior, induciendo movimientos verticales, en el océano estos cambios de temperatura son más dramáticos en su parte superior: justamente, en la superficie oceánica, que está en contacto con la atmósfera. En el caso del océano, un calentamiento de su parte superior aumentará la estratificación, pues este fenómeno limitará el ascenso de parcelas de agua ubicadas a mayor profundidad. Es lo que ocurría en la taza, con café caliente arriba y leche fría abajo. De todas formas, podrá haber mezcla en la capa superficial del océano –que está por sobre dicha barrera de movimientos verticales–, por lo que se le denomina capa de mezcla. Aquí es preciso comentar que en la determinación de la densidad del agua del océano y, por lo tanto, en su estratificación, no sólo es relevante la temperatura, sino que también la salinidad (la concentración de sales en el agua). Por ejemplo, en zonas de desembocadura de un río, la estratificación aumentará debido a que el agua dulce, menos densa, se posicionará por sobre el agua salada, más densa. Lo mismo sucederá en regiones que tienen grandes aportes de agua dulce por precipitación sobre el océano.
A nivel global, las diferencias de salinidad y temperatura en las cuencas oceánicas forman corrientes de gran escala que permiten la circulación de materia y calor (un fenómeno llamado circulación termohalina). En particular, la circulación implica transporte de nutrientes y elementos tales como el carbono y el oxígeno disuelto. Este intercambio entre distintas zonas y profundidades del océano es fundamental para sostener un equilibrio térmico y también procesos biogeoquímicos de los que depende la productividad primaria del océano y su equilibrio ecológico. Como ejemplo, la zona costera de Chile es particularmente rica en biodiversidad y biomasa. Esto es consecuencia de la surgencia costera, que es el ascenso de aguas profundas, ricas en nutrientes, hacia la superficie. Ahí, la combinación de nutrientes y luz solar posibilita la abundancia de microalgas y altas tasas de fotosíntesis.
El océano es el principal regulador térmico del sistema Tierra, porque el agua es capaz de recibir mucha energía sin cambiar fuertemente de temperatura. Es importante destacar que el calentamiento global implica el aumento de temperatura no solo de la atmósfera, sino que también del océano que, de hecho, absorbe cerca del 90 % del exceso de energía en el sistema Tierra producto del efecto invernadero. Entonces, ¿qué pasa con la estratificación del océano en un planeta que se calienta sostenidamente y cuáles son sus consecuencias? Para investigar esto, es necesario realizar mediciones, a distintas profundidades, de temperatura y salinidad del océano. A partir de ellas se puede conocer la distribución de la densidad en función de la profundidad. Así, es posible determinar, por ejemplo, la profundidad de la capa de mezcla y la intensidad de la estratificación. Notemos, sin embargo, que este procedimiento entrega sólo una aproximación de las variaciones verticales continuas, pues las observaciones son realizadas discretamente en el espacio y el tiempo.
Es preciso destacar que la observación de variables físicas en el océano es tremendamente compleja, incluso más que en la atmósfera. Los instrumentos de medición han de estar sujetos a boyas oceanográficas o vehículos no tripulados, o ser portados por barcos en campañas científicas. Además de los altos costos implicados en estos procesos, es necesario considerar que el mar es un medio altamente corrosivo. Por lo tanto, los análisis respecto a la estratificación del océano y sus posibles variaciones en el tiempo son difíciles de realizar. El Quinto Reporte del IPCC (Rhein et al., 2013) estimó que la estratificación térmica del océano, cuantificada como la diferencia de temperatura promedio entre 0 y 200 metros de profundidad, había aumentado en cerca de un 4 % desde 1971 hasta 2010 (es decir, a una tasa cercana de un 1 % por década). Sin embargo, la incertidumbre asociada a estas estimaciones es considerable.
Motivados por este conocimiento incompleto, en un estudio publicado en la revista Nature Climate Change, Li et al. (2020) abordan la pregunta sobre la variación de la estratificación oceánica en un sistema Tierra que se calienta. Para ello, usan un conjunto de datos muy sofisticado de temperatura y salinidad del océano, obtenido mediante la combinación de varios conjuntos independientes disponibles desde el año 1960 a una resolución espacial horizontal por cada 1º de latitud y longitud, y 41 niveles verticales entre 0 y 2000 metros. A partir de esta información, calcularon un parámetro (conocido como la frecuencia de Brunt-Väisälä[1]) en todos los niveles de profundidad disponibles. A partir de esta variable, fueron capaces de conocer la estratificación promedio entre los años 1981 y 2010, y cuantificar su tendencia temporal en las diversas cuencas oceánicas. Sus resultados son contundentes: reportan, con un margen de certidumbre bien establecido, el aumento de la estratificación global en un 5.3 % entre 1960 y 2018 (0.9 % por década), incluso hasta los 2000 metros. Además, establecen que la mayor parte de este efecto ocurre en la capa más superficial del océano, los primeros 200 metros, principalmente, por cambios en la temperatura de esa zona.
¿Qué significa esto? Significa que un océano más estratificado se convierte en un océano de circulación ralentizada y con menor capacidad de mezcla, es decir, de intercambiar propiedades físicas y químicas entre sus diferentes capas. Por tanto, se limita, por una parte, el ascenso a la superficie de nutrientes procedentes de capas profundas y, por otra parte, el ingreso de oxígeno superficial hacia ellas, conllevando a procesos de desoxigenación del océano. Este proceso puede impactar la constitución de los ecosistemas y las cadenas tróficas marinas. Además, una superficie oceánica más cálida implica impactos en los ciclos biogeoquímicos, porque, por ejemplo, su capacidad de absorber carbono y calor desde la atmósfera disminuye. Adicionalmente, temperaturas superficiales más cálidas pueden generar cambios en la ocurrencia de eventos extremos, como huracanes en las zonas tropicales. Por otro lado, en el caso de las zonas polares, el fenómeno de estratificación se genera por la formación de una superficie oceánica cada vez menos salina, producto de mayor derretimiento superficial, lo que impacta en la circulación termohalina.
Sin embargo, aunque el aumento de la estratificación del océano se observa en la mayoría del mundo, Li et al. (2020) notan que hay diferencias espaciales entre regiones. De hecho, a lo largo de la costa de Chile reportan resultados opuestos. En efecto, estudios recientes de investigadores del (CR)2 (Aguirre et al., 2019) muestran que las condiciones atmosféricas favorables a la surgencia costera frente a las zonas centro y sur de Chile, han aumentado en las últimas dos décadas. Junto con esto, la capa de mezcla se ha ido profundizando en este periodo. Es decir, dicho comportamiento regional frente al centro y sur del país difiere a la tendencia global de aumento de estratificación. Esto, sin embargo, no implica una contradicción y es consistente con la heterogeneidad espacial de las señales regionales del cambio climático producido por los humanos.
Bajo escenarios de mantención o aumento sostenido de los niveles actuales de emisión de gases de efecto invernadero, la estratificación global del océano continuará, aunque con matices regionales. Tal proyección, como tantas otras, nos llama urgentemente a mitigar el calentamiento global. Además, como el fenómeno es ya una realidad, necesitamos adaptarnos. Para ambos objetivos, mitigación y adaptación, resulta fundamental que instalemos capacidad observacional del océano, particularmente en Chile.
Notas
[1] La frecuencia de Brunt-Väisälä (denominada N) se usa en oceanografía y meteorología para cuantificar la estabilidad (estratificación, para nuestro caso) de un fluido. Precisamente, es la frecuencia con la que una parcela del fluido oscilaría en un entorno estable (estratificado) tras ser desplazada verticalmente desde el equilibrio dinámico. Mientras mayor la estabilidad, mayor la frecuencia de Brunt-Väisäla.
Referencias
Aguirre, C., García-Loyola, S., Testa, G., Silva, D., Farias, L., & Tremblay, J. É. (2018). Insight into anthropogenic forcing on coastal upwelling off south-central Chile. Elementa: Science of the Anthropocene, 6. https://doi.org/10.1525/elementa.314
Li, G., Cheng, L., Zhu, J., Trenberth, K., Mann, M. & Abraham, J. Increasing ocean stratification over the past half-century. Nat. Clim. Chang. 10, 1116–1123 (2020). https://doi.org/10.1038/s41558-020-00918-2
Rhein, M., S.R. Rintoul, S. Aoki, E. Campos, D. Chambers, R.A. Feely, S. Gulev, G.C. Johnson, S.A. Josey, A. Kostianoy, C. Mauritzen, D. Roemmich, L.D. Talley and F. Wang, 2013: Observations: Ocean. In: Climate Change 2013: The Physical Science Basis. Contribution of Working Group I to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change [Stocker, T.F., D. Qin, G.-K. Plattner, M. Tignor, S.K. Allen, J. Boschung, A. Nauels, Y. Xia, V. Bex and P.M. Midgley (eds.)]. Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom and New York, NY, USA.