Comportamiento de corrientes de gravedad en sistemas estratificados (splitting gravity currents in stratified systems)

Resumen

La entrada de agua fluvial cargada de nutrientes, así como materia orgánica fácilmente asimilable en forma disuelta o particulada, representa uno de los mayores responsable del cambio en la ecología de sistemas acuáticos estratificados (lagos, embalses, océano), dado que estas entradas controlan la distribución vertical de luz y nutrientes, y por tanto, la abundancia de la comunidad fitoplanctónica en el sistema. La respuesta bio-geoquímica del ecosistema a la entrada de un río cargado de nutrientes depende en gran medida de la distribución del agua fluvial en el sistema estratificado, es decir, de si el agua fluvial fluye en superficie, introduciendo nutrientes directamente en la capa superficial de mezcla (o surface-mixed layer, SML); o se hunde y fluye como corriente de gravedad en la columna de agua para formar intrusiones únicas. La disponibilidad en capas superficiales del sistema de nutrientes disueltos en el agua de corrientes de gravedad está controlada por la posición vertical de la intrusión en la columna de agua. Dicha corriente puede tanto fluir a lo largo de la base de la SML (interflows), o penetrar esta capa para formar una intrusión en el metalimnion (underflows). En este trabajo, presentamos resultados de una serie de experimentos de campo, laboratorio y simulaciones numéricas para ilustrar los dos comportamientos mencionados de corrientes de gravedad, así como para demostrar la existencia de un tercer comportamiento, de acuerdo al cual se pueden formar varias intrusiones a la vez en la columna de agua estratificada debido a la entrada de una única corriente de gravedad. En este último caso, la corriente se divide en dos partes (split flows): (a) una intrusión superficial a lo largo de la base de la SML, cuyos nutrientes disueltos pueden estar fácilmente disponibles para el crecimiento algal, y (b) una intrusión profunda que penetra la SML y forma una intrusión en el metalimnion. Sin embargo, no se han encontrado referencias bibliográficas que describan cuando split flows debería formarse debido a la entrada de corrientes de gravedad en medios estratificados. Según esto, los principales objetivos de esta Tesis Doctoral han sido: (1) caracterizar la distribución vertical de corrientes de gravedad en sistemas estratificados, (2) identificar las condiciones que favorecen la formación de intrusiones próximas a las base de la SML, y (3) cuantificar la fracción del flujo de flotabilidad de dicha corriente de gravedad que puede ser incorporada en las capas superficiales del sistema acuático. Nuestras observaciones confirman la existencia de los tres patrones de comportamiento de corrientes de gravedad arriba descritos. En sistemas acuáticos naturales, la distribución vertical de la corriente cambió durante el periodo de estratificación. Además, nuestros resultados destacan la importancia de la presencia de gradientes internos en la corriente de gravedad, además de la intensidad de la estratificación en la columna de agua, en la caracterización del comportamiento de una corriente de gravedad. Observamos que es más probable que la corriente de gravedad forme una única intrusión cuando la capa interfacial corriente-agua ambiental es de poco espesor. Sin embargo, la corriente de gravedad tienen a dividirse en dos partes al chocar con un salto de densidad cuando la capa interfacial entre la corriente y el agua ambiental es difusa, cuya formación está relacionada con: (1) la existencia de una capa superficial de mezcla profunda, (2) diluciones iniciales significativas en la zona de hundimiento; y (3) mezcla intensa en la capa interfacial corriente-agua ambiental. Usando los perfiles verticales que caracterizan los gradientes internos de una corriente de gravedad, hemos desarrollado una teoría que predice la partición del flujo de flotabilidad inicial de la corriente de gravedad que fluye como interflow y underflow cuando dicha corriente se divide al encontrar un salto de densidad. Hemos evaluado esta teoría de partición tanto experimental como numéricamente. Como conclusión, este estudio proporciona las herramientas necesarias para predecir y cuantificar la fracción del material de la corriente de gravedad que puede quedar retenido en la base de la SML. Por tanto, esta fracción de agua del río, y sus nutrientes disueltos, podrán estar disponible en las capas superficiales donde serán utilizados para el crecimiento la comunidad fitoplanctónica. La distribución de estos nutrientes disueltos en el agua fluvial en capas superficiales puede influir en la ecología del sistema acuático natural y, por tanto, en su calidad del agua.