Profundidad completa de perfiles alrededor del océano global

Fig. 1: ADCP Teledyne RDI conectado a un paquete hidrográfico antes de bajar a grandes profundidades. Crédito: J. Lemus (U. Hawaii). https://goo.gl/VfvYn1

Tres décadas de alta presión para ADCPs reducidos

Introducción
Desde los movimientos inesperados de los primeros flotadores a la deriva, los oceanógrafos han trabajado para levantar el velo en las corrientes profundas. Las mediciones de corriente directa han llegado en varias formas. Flotadores neutralmente flotantes y sus crías perfiladas revelaron caminos profundos. Los medidores de corriente en los amarres mostraron cambios en el tiempo. Las sondas de caída libre permitieron una vista de perfil: mediciones muy espaciadas que muestran la velocidad de la corriente del agua en función de la profundidad. Y los ADCP reducidos (LADCP) han proporcionado perfiles actuales bien resueltos y de profundidad completa desde principios de los años noventa.

Las corrientes profundas almacenan, transportan y redistribuyen propiedades importantes para la vida dentro y fuera del mar. Por ejemplo, los niveles de oxígeno y nutrientes son vitales en las aguas profundas que surgen para abastecer la cadena alimentaria del océano. Sin embargo, hasta mediados de la década de 1970, las corrientes profundas rivalizaban con el lado oscuro de la luna por el misterio. Estimulado por los hallazgos de las observaciones mejoradas, ahora hay un intenso interés en cómo las corrientes profundas participan en el sistema climático global. Especialmente importantes son el calor cambiante y el contenido de CO2 de las profundidades del océano.

Se establecen métodos para observar las profundidades marinas debajo de la capa estacional superior. Para medir corrientes profundas, los científicos de todo el mundo adjuntan ADCPs compactos a los paquetes hidrográficos. Estos paquetes se bajan rutinariamente al lecho marino para capturar muestras de agua y medir las propiedades del agua.

En este informe observamos varios hallazgos del trabajo de LADCP alrededor del océano global. Las mediciones de LADCP inicialmente observaban corrientes profundas en regiones ecuatoriales y en océanos tropicales y subtropicales. Las características incluyen corrientes profundas, corrientes subterráneas y remolinos. Más recientemente, los LADCP han apoyado estudios científicos en latitudes altas, como explorar las circulaciones de vuelco en el Atlántico norte subpolar y calcular la mezcla intensa generalizada en el Océano Austral.

Hidrografía
La hidrografía basada en barcos mide las propiedades del agua desde la superficie hasta el fondo marino. Los resultados provienen de la reducción de un CTD de perfilado continuo y la recolección de muestras de agua discretas. Estos modelos "hidro" no tienen rival para observar las profundidades del océano, especialmente por debajo de los 2000 m. Al mismo tiempo, este método también revela puntos calientes para el intercambio atmosférico con el océano.

Los datos hidrográficos ven usos de gran alcance. Su rango incluye propiedades del océano, procesos y caminos. Existen registros a largo plazo de componentes de carbono, nutrientes, agua dulce, calor y más. Estos registros revelan cambios oceánicos atribuidos a las tendencias atmosféricas: calentamiento global y niveles mejorados de CO2.

Fig. 2: los ADCPs de Teledyne RDI (color amarillo para alta presión) se adjuntan a un paquete hidrográfico. Crédito: T. Wasilewski (IFM Hamburg). https://goo.gl/q7XGKK

Perfil de velocidad
Los perfiles verticales de la velocidad de la corriente del agua y el corte muestran cómo el agua se mueve y se mezcla. Ayudan a describir cómo las propiedades del agua cambian y se dispersan. Estas propiedades incluyen el calor y la energía, así como los organismos, nutrientes, productos químicos, desechos y contaminantes.

Para el estudio de corrientes profundas, los científicos desean que los perfiles de velocidad tengan un largo alcance, pero que tengan una visión a gran escala de cómo cambian las corrientes con la profundidad. Este tipo de datos ha revelado facetas oceánicas desde olas internas a chorros, remolinos y corrientes subterráneas. Y la información se usa ampliamente, desde el descubrimiento científico hasta las operaciones a bordo de plataformas marinas.

Antes de los ADCP, los perfiles de velocidad necesitaban equipos y herramientas especializados. El uso del tiempo de envío y el equipo no recuperable hicieron que las mediciones fueran caras. Los científicos buscaron un método más económico, más fácil de usar y disponible para un público más amplio.

A lo largo de varios años, unos pocos expertos adaptaron los ADCP para satisfacer esta demanda. Ellos idearon el método y procesamiento LADCP (https://goo.gl/1TGXBn). El aporte clave provino del personal de la Universidad de Hawái y del Observatorio Geológico Lamont Doherty en EE. UU. E IFM Kiel en Alemania.

Método ADCP rebajado
El perfil de corriente profunda mide por debajo de la gama acústica de perfiladores montados en barcos. Adjunto a un paquete hidrográfico reducido, los ADCP compactos y autónomos pasan a través de la columna de agua. Durante el descenso y el ascenso, el ADCP continúa midiendo los perfiles actuales con rangos de hasta 100 m. Más adelante, estos segmentos cortos, con su resolución vertical de escala fina, se unen para producir un perfil de profundidad completa.

El cuidadoso procesamiento de los datos LADCP incorpora varias entradas. Los perfiles actuales de los ADCP montados en el barco se utilizan para validar los perfiles LADCP donde se superponen. Se hacen correcciones por la deriva del barco y la actitud y los movimientos variables del paquete rebajado. Cerca del fondo del yeso, los ecos acústicos dispersados por el fondo marino revelan el movimiento del ADCP. A menudo, se usan ADCP duales, mirando hacia arriba y hacia abajo.

Una ventaja clave del método LADCP es que no se agrega al tiempo de envío ni a los costos de ejecución; El perfil de velocidad se completa durante los lanzamientos hidráulicos programados. No se requieren técnicos especializados, aunque la operación exitosa del LADCP conlleva capacitación y diligencia. La brújula del ADCP debe calibrarse cuidadosamente.

Fig. 3: los perfiles ADCP están cosidos para formar un perfil de profundidad completa. Velocidad (cm / s). Crédito: M. Visbeck (GEOMAR, 2002). https://goo.gl/kftcJ3

Vientos de cambio
La adición de ADCPs a los modelos hidroeléctricos causó un cambio radical. El perfil actual profundo estaba disponible para una comunidad mucho más grande. La recopilación de datos fue regular y generalizada. Y la información complementaria sobre corrientes profundas informó otros estudios, como las mediciones de trazadores.

Los LADCP ganaron terreno en los cruceros hidrográficos durante el Experimento de Circulación Oceánica Mundial (WOCE, 1990-2002). A principios de la década de 2000, la calidad mejorada de los datos LADCP provino de métodos mejorados de medición y procesamiento. Y las últimas dos décadas han visto el uso rutinario del método LADCP alrededor del océano global.

Extensas colecciones de estas medidas de profundidad completa están disponibles. Y la acumulación de secciones LADCP de muchos cruceros abrió la puerta a descripciones estadísticas. En resumen, los LADCP ofrecen una visión única y en desarrollo para estudiar el océano global, desde la circulación a gran escala hasta la mezcla a pequeña escala.

Corrientes profundas
Una motivación clave para saber más sobre las corrientes profundas es aclarar la circulación termohalina global. A lo largo del borde occidental de las principales cuencas oceánicas, se han observado profundas corrientes estrechas y rápidas. Tienen distintas propiedades del agua y fluyen en contra de fuertes corrientes superficiales.

Usando LADCPs en el sur de África, los científicos del Reino Unido identificaron una corriente subterránea desconocida. El importante Agulhas Undercurrent, que sorprendentemente no es evidente en los datos hidroeléctricos, fluye hacia el ecuador a 1200 m de profundidad. Encontrada a lo largo del talud continental, esta corriente profunda transporta diez veces el volumen del río más grande del mundo. Estudios posteriores confirmaron el descubrimiento de la Corriente Inferior y sus propiedades inesperadas del agua.

Muchas de estas corrientes subterráneas abrazan la topografía escarpada del talud continental. En estos sitios, los perfiles LADCP en profundidad pueden ser especialmente valiosos. En pendientes pronunciadas, las estimaciones de transporte para corrientes profundas calculadas a partir del campo de densidad pueden ser bajas debido a los vacíos en los datos. Las corrientes LADCP proporcionan una solución.

Además, los datos LADCP son vectores de velocidad 2-D, no solo el componente de seguimiento cruzado. Esta diferencia se vuelve más importante cuando la sección hidráulica corta el campo actual en un ángulo oblicuo.

Fig. 4: Corriente profunda que fluye hacia el ecuador (naranja) a lo largo de una fuerte pendiente continental. Unidades: Profundidad (m), Distancia (grados). Crédito: Hall et al. (2004) https://goo.gl/4QB6xs

Corrientes profundas
Los científicos del Reino Unido también encontraron que las estaciones de LADCP son útiles en alta mar en corrientes subterráneas. La señal de velocidad de la corriente principal de Agulhas persiste a gran profundidad. Los flujos profundos sin cizallamiento no son evidentes en las corrientes calculadas a partir de secciones hidrográficas. Como resultado, el método tradicional puede subestimar los volúmenes de agua transportados por corrientes de gran alcance. Abordar este problema fue un uso temprano común de los datos de LADCP.

Más al norte en el Océano Índico, los impresionantes cambios oceánicos siguen el inicio del monzón del suroeste. Una reversión conocida de fuertes corrientes superficiales ocurre en la Corriente Somalí. Los chorros apilados de corrientes con direcciones opuestas se encuentran en profundidad. Además, un giro grande e intenso gira en torno a Somalia durante un mes. Llamado el Gran Remolino, el giro alcanza los 500 km de ancho. Persiste durante tres meses y luego se disipa tan rápido como giró.

Una característica impresionante del Gran Remolino es su profundidad hasta 3000 m. Los científicos de EE. UU. Recopilaron datos de LADCP en dos visitas separadas por 3 meses durante el WOCE. La profundidad de las corrientes del Gran Torbellino aumentó de 200 a 2500 m. Debido al profundo alcance de estas corrientes, el volumen de agua que se mueve en el Gran Remolque coincide con el flujo de la Corriente del Golfo desde el Cabo Hatteras. El alcance profundo del Gran Remolino es una explicación propuesta para las reversiones en la circulación abismal que se encuentra a continuación. Estos también fueron observados con LADCPs.

Mezcla de datos
Los oceanógrafos exploraron nuevas formas de combinar la información de LADCP con las propiedades del agua observadas durante los moldes hidráulicos. Las corrientes oceánicas transfieren las propiedades del agua. Para una región cerrada, el intercambio de propiedades del agua debe satisfacer las leyes de conservación, como la conservación masiva. Una técnica de análisis llamada modelado inverso combina diferentes tipos de datos sujetos a estas leyes.

Lejos de las costas, los datos hidrográficos pueden describir en gran medida las corrientes que cambian lentamente. Pero la interpretación puede ser equívoca debido a elecciones subjetivas sobre movimientos profundos. Cuando se agregan a un modelo inverso, los datos de LADCP restringen las posibles soluciones para las corrientes profundas faltantes.

Fig. 5: Los datos de LADCP muestran la extensión profunda del Gran Torbellino, un giro grande e intenso en Somalia. Unidades: Profundidad (m), Distancia (grados). Crédito: T. Chereskin (Scripps Inst. Oceanography) https://goo.gl/WsmhuV

Secciones a largo plazo
Durante dos décadas, los investigadores alemanes han monitoreado las corrientes límite frente a Canadá a 53 ° N. A través de su sección persistente definida por 3–5 amarres, los científicos repitieron 12–15 estaciones LADCP durante 13 cruceros. Como resultado, los datos de 150 estaciones LADCP complementaron los amarres para describir la contribución al volcamiento del Mar de Labrador. Se observaron fuertes corrientes en varios niveles. En particular, los datos de LADCP mostraron un núcleo de alta velocidad cerca del fondo marino. Sus aguas se habían originado en los mares nórdicos.

Los perfiles LADCP de profundidad completa están bien resueltos verticalmente y pueden tener un espaciado horizontal más fino que una matriz amarrada. La flexibilidad de las ubicaciones de LADCP permite una mejor definición de los bordes internos y externos de la corriente límite. Así, los científicos pueden calcular transportes más precisos a partir de datos amarrados. A 53 ° N, la corriente límite era de 120 km de ancho y tenía una estructura espacial estable. El volumen de aguas profundas exportadas hacia el sur fue de 30 millones de metros cúbicos por segundo, casi lo mismo que el transporte a través del Estrecho de Florida para abastecer la Corriente del Golfo.

Fig. 6: Paquete hidrográfico con ADCPs Teledyne RDI dobles (amarillo) en acción frente a Groenlandia. Crédito: C. Nobre (WHOI). https://goo.gl/HJLq5m

Secciones de todo el océano
Una iniciativa de investigación internacional de varios años en curso se titula Anulación en el Programa Subpolar N. Atlántico (OSNAP). Trabajando a lo largo del Atlántico en latitudes altas del norte, OSNAP incluye a muchos investigadores con programas anteriores en la región. Su enfoque conjunto es el transporte de calor y agua dulce en todo el océano como parte del sistema climático global.

Un informe reciente describió dos cruces de una sección hidrográfica compuesta en todo el océano, observada en 2014 y 2016. Las secciones abarcan varias cuencas que muestran fuertes corrientes de borde. Los resultados para las corrientes combinadas del campo de velocidad profunda del campo de densidad con una velocidad de referencia profunda de los datos LADCP.

Los investigadores observaron que los datos de LADCP son particularmente valiosos en corrientes de límite estrecho y corrientes subterráneas. La medición precisa de estas características se basa en una alta resolución horizontal; tienden a ser subestimadas y resueltas por las opciones basadas en satélites. De hecho, el informe cuantificó esta discrepancia para el transporte combinado de corrientes subterráneas profundas alrededor del giro subpolar.

Fig. 7: Sección de todo el océano de las corrientes norte / sur en Subpolar N. Atlántico en 2016. Corrientes: Norte (rojo), Sur (azul). Unidades: Profundidad (m), Distancia (km). Crédito: Holliday et al. (2018) https://goo.gl/3YAE8X

Estimaciones de la mezcla en el océano
Los científicos también utilizaron los perfiles de LADCP para observar las ondas internas. Más específicamente, querían cuantificar los efectos de la ruptura de las olas internas.

Motivar este esfuerzo fue el deseo de obtener más información sobre la mezcla en el océano. La mezcla se había considerado como un factor importante para mantener el perfil térmico del océano. Sin embargo, los estudios de mezcla en el océano se habían limitado a unos pocos equipos y herramientas especializados. Y esos resultados no podrían extrapolarse para representar el océano global.

A fines de la década de 1990, los científicos probaron la cizalla de los perfiles de LADCP como entrada para una descripción estadística de la mezcla en el océano. El método combinó la velocidad de corte con datos complementarios de perfiles CTD concurrentes. Para calcular la mezcla en regiones más extendidas, la distribución geográfica de los perfiles LADCP de WOCE fue atractiva. En particular, los datos de LADCP estaban disponibles en puntos calientes anticipados para la mezcla donde los expertos no habían medido.

El Océano Austral era un objetivo primordial. Usando el método basado en LADCP, un equipo internacional informó los resultados de una mezcla intensa y generalizada cerca de Drake Passage. Se observaron altas tasas sobre la topografía aproximada durante miles de kilómetros. La implicación es que la mezcla es un factor esencial en la circulación de vuelco a gran escala en las latitudes altas del sur.

El uso de datos LADCP en dichos estudios de mezcla ha ganado popularidad, incluso "explotó" según un artículo reciente. Por ejemplo, un grupo de científicos propuso un enfoque alternativo para cuantificar la mezcla. Incluían datos LADCP de cinco regímenes dinámicos diversos: aguas ecuatoriales, Rise East Pacific, Estrecho de Luzon, South Pacific y Drake Passage.

ADCPs reducidos: Gran presión baja
El perfilado de Velocity proporciona una vista a gran escala de cómo las corrientes oceánicas cambian con la profundidad. El método comenzó con equipos y herramientas especializadas. Posteriormente los ADCP compactos fueron bajados al fondo marino. A lo largo de varios años, un esfuerzo de cooperación entre expertos diseñó y refinó el método y procesamiento de LADCP.

El ADCP reducido se ha extendido para ser una técnica estándar utilizada en todo el mundo por la comunidad de investigación oceánica. Lo han usado para levantar el velo en corrientes profundas desde ondas internas a chorros, remolinos y corrientes subterráneas. Y después de tres décadas de recopilación, los perfiles de velocidad LADCP a toda profundidad abarcan el océano global. Se están aplicando en una amplia gama de temas: de alcance local a global, y de días a décadas de duración.

Créditos de datos
Fig. 3: M. Visbeck (2002) Perfilado de alta velocidad utilizando un Doppler acústico reducido Perfilador de corriente: seguimiento inferior y soluciones inversas. DOI 10.1175 / 1520-0426 (2002) 019 <0794: DVPULA> 2.0.CO; 2

Fig. 4: MM Hall, TM Joyce, RS Pickart, WM Smethie Jr., DJ Torres (2004), circulación zonal a través de 52 ° W en el Atlántico Norte. https://doi.org/10.1029/2003JC002103

Figs. 5: LM Beal y KA Donohue (2013), The Great Whirl: observaciones de su desarrollo estacional y variabilidad interanual. https://doi.org/10.1029/2012JC008198

Fig. 7: NP Holliday, S. Bacon, SA Cunningham, SF Gary, J. Karstensen, BA King, F. Li, EL Mcdonagh (2018), Subpolar North Atlantic Overturning y Gyre-Scale Circulation en los veranos de 2014 y 2016 https://doi.org/10.1029/2018JC013841