Los afloramientos costeros son procesos de media escala que se caracterizan por el transporte hacia la superficie marina de aguas frías y ricas en nutrientes como resultado de surgencias hidrodinámicas, las que son consecuencia del efecto de Coriolis, que genera un transporte de aguas superficiales en dirección mar afuera, en un campo de corrientes forzado por los vientos a lo largo de las márgenes continentales. La abundancia de nutrientes transportado hacia la 

superficie tiene como resultado la alta productividad primaria y la abundancia de peces. En el mundo las áreas de afloramiento más importantes están localizadas en las costas de Perú, Sud África, Noroeste de África y Oregón (USA).

En el estudio de las regiones costeras de afloramiento, es importante, esclarecer el rol de las corrientes y su interacción con las concentraciones pasivas y no pasivas como por ejemplo, Temperatura, Salinidad, Nutrientes, Fitoplancton y Zooplancton. Para estos fines, el modelaje matemático numérico es una herramienta eficiente en la verificación de hipótesis dinámicas e interpretación causal de los procesos costeros.

Del punto de vista numérico, generalmente por simplicidad, se usan formulaciones de diferencias finitas para aproximar las ecuaciones diferenciales que representan los principios físicos envueltos en el problema. Es también posible usar elementos finitos basados en formulaciones Galerkin o Petrov-Galekin, pero con un mayor costo computacional y complejidad.

El estudio de los aspectos físicos del afloramiento costero, presuponen en primer lugar una formulación adecuada de la hidrodinámica y termodinámica del océano costero, en donde las velocidades, niveles y temperatura son generalmente las variables de cálculo. Así también, es necesario que la representación de la estructura vertical esté descrita en forma adecuada, pudiendo ser verticalmente estructurada o compuesta por estratos superpuestos (cada estrato con aguas de densidad homogénea). Sobre esto es necesario que los modelos de estratos poseen generalmente más física incluida en su formulación, por ser completamente consistentes con la formulación hidrostática, en cambio los verticalmente estructurados sólo son una aproximación, por las diferencias finitas en la vertical (Ripa, 1995). Otro aspecto físico de importancia, es el tratamiento del área de estudio, la cual es generalmente limitada y abierta en el lado oceánico, como sucede por ejemplo en las regiones costeras de San Juan, Chimbote y Paita en el Perú, necesitándose, entonces, de condiciones de frontera dinámicamente consistentes con el problema dinámico. Un aspecto de suma importancia es el modelaje de la termodinámica del océano superficial, que en un modelo permitirá describir las variaciones de los campos de temperatura como consecuencia de la advección y el calor neto recibido por el océano. Referencias bibliográficas, sobre la simulación de eventos de afloramiento comparando con observaciones son muy escasas y casi inexistentes cuando las regiones de afloramiento son abiertas; generalmente se limitan a comparaciones del tipo cualitativo, a pesar de la complejidad de los modelos algunas veces usados (Wang en 1997, presenta un modelo 3D, para justificar sólo cualitativamente la influencia de un campo de viento en la costa norte de California representando la costa con una simple línea recta). Pero aquí haremos referencia de la tentativa con éxito de un modelaje comparando las variables en espacio y tiempo para la región de Cabo Frío en Brasil (Carbonel, 1998), región que se caracteriza por la existencia de eventos de afloramiento. En el modelo mencionado, una de las hipótesis principales es de un estrato dinámico superficial es suficiente para describir la dinámica de la región durante un evento de afloramiento. La estructura vertical del modelo es descrita por un estrato activo sobre un estrato profundo sin movimiento en donde el gradiente de presión es cero, trabajándose sólo con el modo baroclínico. Para el estrato superior, el modelo incluye la versión turbulenta de las ecuaciones conservativas de momentum, masa y calor. La conservación del calor es representada por una ecuación de transporte para describir los cambios de temperatura superficial del mar (TSM). El dominio de solución incluye fronteras abiertas en donde condiciones débilmente reflectantes son impuestas. Las soluciones son obtenidas numéricamente en una malla uniforme y las ecuaciones son aproximadas usando el método de diferencias finitas. Experimentos numéricos fueron efectuados para evaluar la respuesta dinámica del área costera de Cabo Frío (Río de Janeiro) generada por distribuciones de vientos uniformes y no uniformes. Se notó que las soluciones difieren bastante dependiendo de la orientación de los vientos, mostrando características observadas en la región de estudio.

El modelo propuesto fue validado mediante una simulación numérica de un evento de afloramiento, en donde la distribución del campo de viento varía con el tiempo y no es uniforme espacialmente, generando una pluma de aguas frías con centro frente a la ciudad de Saquarema (Figura 1), que evoluye en 3 días extendiéndose mar afuera, con velocidades máximas de 0.2m/s. Las distribuciones de temperatura son bastante similares a las observadas (ver Carbonel, 1998).

El acoplamiento de la parte física y biológica en la formulación de un modelo, necesita de la definición clara de la influencia hidrodinámica y de cómo las variables biológicas reaccionan entre sí. En este caso, el acoplamiento es establecido por las distribuciones de la velocidad, espesor del estrato superficial y velocidades verticales. En modelos Físico-Biológicos de afloramiento, la parte, biológica es representada por componentes como Nutrientes, Fitoplancton y Zooplancton en un sistema víctima predador. El número de componentes depende de la escala y eventos a estudiar. En estudios estacionales y de gran escala, es posible utilizar 4 componentes como uso McCreary y otros (1999) para el Océano Índico. En la región de Cabo Frío (Carbonel y Valentín, 1999), se utilizó 3 componentes solamente. 

En el modelo de Cabo Frío (Carbonel y Valentín, 1999) los vientos generaron un sistema de corrientes y forzaron un transporte de concentraciones biológicas hacia la superficie. El Fitoplancton evoluyó en el tiempo como consecuencia de la fotosíntesis y la asimilación de Nutrientes, posteriormente por la actividad predadora del Zooplancton, el "bloom" de Fitoplancton se reduce rápidamente durante el quinto día como muestra la Figura 2, en donde se presenta la serie temporal calculada de las concentraciones biológicas en 2 puntos de control localizados frente a las ciudades de Saquarema y Cabo Frío en el estado de Río de Janeiro. Las unidades de las componentes biológicas están definidas en mM con valores máximos de 11uM para los nutrientes.

Las distribuciones espaciales de las concentraciones biológicas, no mostradas aquí, tienen un formato similar al de temperatura, con mayores concentraciones de centros de afloramiento. La generación del "bloom" de Fitoplancton, que dura alrededor de 1 día, depende, principalmente, de la disponibilidad de nutrientes y también de los diferentes parámetros que regulan la influencia de los nutrientes e zooplancton, como fue confirmado en las simulaciones numéricas.

* Ing. Mecánica de Fluidos
carbonel@usu.br

Tabla de contenido