Océanos y oceanografía

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Introducción

Océanos y oceanografía, océano es un cuerpo extenso de agua salada que cubre unas tres cuartas partes de la superficie de la Tierra y oceanografía es el estudio científico de los procesos físicos, químicos y biológicos que mantienen su estructura y su movimiento. La ciencia marina también se interesa por el estudio del lecho marino, de los litorales, de la relación del océano con la atmósfera, así como de la flora y la fauna marinas.

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Cuencas oceánicas

En el hemisferio sur hay una zona circumpolar (el océano Glacial Antártico) que conecta los extremos australes del océano Atlántico, con forma de S, del océano Pacífico, triangular y extenso, y del océano Índico, de menor dimensión. Hay algunos otros mares menores semicerrados; entre ellos son característicos el Ártico, el Báltico y el Mediterráneo, que se unen a los grandes océanos y modifican sus propiedades.

La profundidad media del océano es poco menor de 4.000 m. Cerca de tierra firme, el fondo marino se suele encontrar a poca profundidad, menos de 200 m, con pendientes suaves que pueden emerger formando bancos costeros o islas. Estas regiones poco profundas se extienden de 100 a 200 km desde la costa formando las plataformas continentales, regiones con importancia económica para la pesca, la extracción de petróleo y de gas y el desecho de basuras. Mar adentro desde la plataforma continental, en el llamado talud continental, el fondo marino desciende con rapidez unos 3.500 m hasta la explanada continental, una zona de sedimentos con pendiente decreciente que se extiende unos 600 km hasta las llanuras abisales planas del fondo oceánico profundo.

Los ejes centrales de las principales cuencas oceánicas están conectados por el sistema de dorsales, cordilleras extensas de montañas con depresiones internas cruzadas por zonas de fractura. Las dorsales oceánicas son fundamentales para la comprensión de la evolución de las cuencas de los océanos, como explica la tectónica de placas. Están asociadas con terremotos, con volcanes y con grietas hidrotermales que transfieren desde el interior de la Tierra fluidos químicamente ricos que están asociados con insólitos sistemas biológicos dependientes del sulfuro. Desde las dorsales oceánicas, se despide roca fundida y se extiende internamente, añadiendo nueva materia a las placas corticales rígidas de la Tierra. Las placas se separan unos pocos centímetros cada año. En áreas donde las placas se superponen, como en el borde del Pacífico, la corteza queda subducida y vuelve al manto, formando fosas que pueden alcanzar profundidades de 7 km (véase Fosa oceánica). La de mayor profundidad conocida es la fosa de las Marianas, con unos 11 km, situada al este de Filipinas.

Es útil distinguir entre las plataformas continentales poco profundas y el océano profundo, pero no debe olvidarse que incluso las fosas mayores son pequeñas en comparación con el diámetro de la Tierra: la razón entre la profundidad y la anchura es próxima al uno por mil. El océano, como la atmósfera, es una capa fina de fluido sostenido en la Tierra en rotación, debido a la fuerza de la gravedad.

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Agua oceánica

El océano contiene el 97% del agua de la Tierra; en la atmósfera está el 0,001%. Los procesos que intercambian y transforman el agua en vapor, en líquido o en sólido son fundamentales para el clima y para la propia vida.

El agua es una de las sustancias más comunes, pero tiene algunas propiedades físicas y químicas inusuales. Es uno de los pocos líquidos naturales y puede encontrarse en las tres fases: vapor de agua, agua líquida y hielo sólido. Tiene un calor específico y un calor latente grandes, de modo que son necesarias grandes cantidades de energía para elevar su temperatura, para fundir hielo o para evaporar agua. Estas características controlan en gran medida la distribución de temperatura en la Tierra, siendo los climas oceánicos más uniformes que los continentales. Hay otras propiedades del agua —poder disolvente alto, constante dieléctrica grande y tensión superficial grande, entre otras— que aseguran reacciones esenciales para que la vida continúe su desarrollo. La mayoría de estas propiedades no quedan muy afectadas por la presencia de las sales disueltas que diferencian el agua salina del agua dulce, mucho menos abundante.

El agua del mar es una disolución compleja que contiene todos los elementos estables; las técnicas analíticas actuales han identificado cerca de la mitad de ellos, pero muchos están presentes en concentraciones ínfimas —menos de una parte por millón. Los constituyentes principales de un kilogramo típico de agua de mar son 965 g de agua junto a 19,353 g de cloruro, 10,760 g de sodio, 2,712 g de sulfato, 1,294 g de magnesio y cantidades menores de calcio, potasio, bicarbonato, bromuro, estroncio, boro y fluoruro. Se ha encontrado que muestras de agua de casi cualquier parte de los océanos abiertos contienen estos constituyentes en proporciones muy próximas, de tal forma que toda el agua del mar puede tratarse como una mezcla uniforme diluida con cantidades variables de agua dulce. Debido a esta constancia, casi absoluta, en la composición, la salinidad puede estimarse con precisión midiendo la conductividad eléctrica de una muestra a una temperatura conocida.

Las propiedades del agua dulce dependen de la presión y de la temperatura; las del agua de mar se ven afectadas también por la salinidad. La densidad del agua de mar, por ejemplo, depende de la temperatura, la presión y la salinidad de forma compleja: disminuye cuando la temperatura aumenta, pero crece con la salinidad y la presión. La densidad es importante porque el océano tiende a moverse de manera que el agua más densa esté en el fondo y el agua menos densa en la superficie. Otra propiedad importante del agua de mar es su gran capacidad para absorber la radiación electromagnética, en especial la del Sol. Incluso en las aguas más claras casi toda la radiación solar incidente (el 99%) es absorbida en los 100 m superiores del océano, donde puede ser utilizada en la fotosíntesis para transformar carbono inorgánico y elementos nutrientes en organismos biológicos como el plancton. A profundidades superiores el océano es oscuro y sus propiedades sólo pueden cambiar al mezclarse.

Sin embargo, las ondas sonoras pueden transmitirse a través del océano con pérdidas relativamente pequeñas: una carga de profundidad hecha estallar en Perth, en el oeste de Australia, puede detectarse en las Bermudas, en el Atlántico norte. Esto permite que tanto el hombre como los animales marinos puedan usar sonidos para comunicarse bajo el agua. Las profundidades oceánicas se miden por eco sonoro, se calculan a partir del intervalo de tiempo que tarda un pulso de sonido en llegar al fondo y volver. El sonar funciona de forma similar, pero el haz se transmite con un ángulo respecto a la vertical, para detectar y representar submarinos, bancos de peces o la forma y la textura del fondo marino.

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Estructura oceánica

El aspecto superficial del océano se conoce hoy gracias a la observación espacial. Vivimos en el llamado “planeta azul”. Desde el espacio se ve, sobre todo, el mar azul, las nubes blancas y cantidades relativamente pequeñas de tierra. Podemos distinguir el oleaje y, con el estudio cuidadoso de los litorales, el movimiento diario y semidiario de todas las cuencas oceánicas, lo que constituye las mareas. Estas observaciones visuales quedan confinadas a la superficie; otras propiedades importantes requieren medidas realizadas desde barcos.

La distribución de la temperatura superficial del mar es la propiedad que mejor se conoce, porque puede medirse desde el espacio, así como con métodos sencillos que pueden ser realizados en los barcos mercantes. En el océano abierto decrece desde valores de 30 °C o más cerca del ecuador, hasta -2 °C cerca del hielo de las altas latitudes. La salinidad es más difícil de determinar y por tanto resulta menos conocida; es relativamente baja en latitudes altas y tiene un máximo subtropical cerca de 25° latitud N y de 25° latitud S, con un mínimo ecuatorial en medio. Esta distribución está relacionada con las diferencias entre la evaporación y la precipitación; la salinidad baja del ecuador deriva de las copiosas lluvias tropicales (responsables de las junglas y de los bosques tropicales), y las medidas máximas lo hacen de la lluvia escasa y de los anticiclones subtropicales (con zonas de desiertos). Tanto la temperatura como la salinidad están distribuidas de forma aproximadamente zonal, con contornos que van de Este a Oeste. Cerca de las costas hay anomalías asociadas con las corrientes oceánicas y con un fenómeno conocido como emergencia. Las regiones de emergencia se encuentran cerca de las fronteras orientales de los océanos, donde los vientos que soplan a lo largo de la costa pueden producir una corriente media superficial que se aleja de la tierra. Agua más profunda (desde tal vez 500 m) sube para reemplazar el déficit, haciendo descender la temperatura. Esta agua suele ser rica en sales nutritivas; por tanto, estas zonas tienen una producción geológica grande y son ricas en peces y en otras formas de comunidades marinas.

Las observaciones submarinas son mucho menos numerosas, pero los científicos conocen bien las distribuciones medias de temperatura, salinidad y oxígeno, y tienen información más incompleta sobre los otros constituyentes. De lejos, lo que mejor se conoce es la estructura de temperaturas. El rango es el mismo que el de la superficie (de -2 °C a 30 °C, justo el rango de temperaturas en las que los seres humanos podemos vivir), pero hay mucha más agua fría que caliente: la temperatura media es de 3,5 °C. Toda el agua más caliente que 5 °C está confinada a una capa poco profunda entre los 50° latitud N y los 50° latitud S.

Aparte de los cambios superficiales estacionarios o diarios, la estructura típica es la de una capa de agua casi isoterma cerca de la superficie, separada por otra capa con cambios bruscos de temperatura (la termoclina principal) de una última capa gruesa que se extiende hasta el fondo marino. Al Norte y al Sur de la latitud 50° la temperatura varía poco con la profundidad. En las latitudes medias la temperatura superficial crece y la profundidad de la termoclina principal es máxima, aproximadamente de 1 km. A latitudes bajas, la temperatura de superficie es alta y la termoclina asciende (unos 100 m) con un cambio rápido de la temperatura con la profundidad. Esta estructura es explicable parcialmente en términos de las propiedades físicas del agua de mar: en general, cuanto más fría sea el agua, ésta será más pesada; así, es de esperar que el agua más densa (fría) descenderá para llenar las cuencas más profundas del océano. En regiones polares, durante el invierno el agua más fría se encuentra en la superficie; después de que su calor se haya radiado en la larga noche polar, desciende y enfría el océano profundo, incluso bajo los trópicos y el ecuador. El cómo y el porqué exactos de estos procesos se sigue investigando. La salinidad, como la temperatura, afecta a la densidad, en especial en las bajas temperaturas polares. Las regiones principales de descenso de las aguas parecen tener una extensión limitada, confinadas al mar de Weddell, en el sector Atlántico del océano Antártico, y a los mares de Groenlandia y Noruega en el océano Atlántico. La estructura salina del océano es más compleja que la térmica. En general el agua más densa, con menor temperatura, se encuentra en el fondo. La salinidad afecta menos a la densidad y, por tanto, puede ser más variable con la profundidad. Los procesos que afectan a la salinidad (la lluvia que diluye el agua y la evaporación que la concentra) se producen en la superficie y forman masas de agua con combinaciones particulares de salinidad y de temperatura. Cuando una de estas masas abandona la superficie, su temperatura y salinidad sólo se alteran por la mezcla con otras masas. La mayoría de estos procesos de mezcla tratan al calor y a la sal de la misma manera; así, una masa de agua tiende a conservar su propia relación característica entre temperatura y salinidad (T/S).

La temperatura y la salinidad son los trazadores más importantes para indicar las regiones originales de las masas de agua. Se llaman trazadores conservativos porque no hay procesos, fuera de la superficie, que añadan o sustraigan calor o sal; así, en las capas más profundas se conservan sus valores. Un diagrama T/S, mostrando cómo varía la salinidad con la temperatura en una columna particular de agua, proporciona una especie de huella que permite el seguimiento de las masas de agua durante miles de kilómetros; sólo se modifican poco a poco por la mezcla lenta con otras masas de agua. El proceso detallado que realiza la mezcla presenta un problema central en la oceanografía física moderna.

Existen otros trazadores que, aun sin ser conservativos, son valiosos porque proporcionan indicaciones de tiempo. El agua en la superficie del mar suele estar saturada (o incluso sobresaturada) con gases atmosféricos, entre ellos el oxígeno. Cuando esta agua abandona la superficie y se desplaza, su concentración de oxígeno disminuye porque es el sostén vital de las criaturas marinas y porque participa en la descomposición de los detritos. Así, el contenido decreciente de oxígeno es una indicación del tiempo transcurrido desde que el agua abandonó la superficie. En algunas regiones donde el agua está estancada, todo el oxígeno ha sido utilizado y, en su lugar, se encuentra sulfuro de hidrógeno. El mar Negro es un ejemplo clásico: se dice que se llama así porque los sulfuros oscurecen los objetos metálicos sumergidos.

Otros trazadores, llamados trazadores transitorios, tienen distribuciones que cambian con el tiempo, a veces por la influencia humana. Es el caso del tritio, isótopo más pesado del hidrógeno; su concentración en el océano se debe casi por completo a las desintegraciones radiactivas de las pruebas para armas nucleares ocurridas desde la II Guerra Mundial. Su difusión en el océano ha esclarecido algunos ritmos de circulación oceánica y la magnitud de las mezclas. El tritio es radiactivo, se desintegra con una vida media de 1.245 años para formar un isótopo estable, el helio 3. Medidas del tritio y del helio 3 en una misma muestra proporcionan una estimación del tiempo transcurrido desde que el agua abandonó la superficie. Tanto esta medida como su interpretación son complejas, pero están produciendo bastantes pistas sobre la circulación oceánica profunda. Otros trazadores creados por el hombre, como los freones, también suministran resultados valiosos y se están haciendo estudios sobre la posibilidad de inyectar trazadores, como el hexafluoruro de azufre, para investigar el transporte y las mezclas.