VERTICAL DISTRIBUTION OF TEMPERATURE AND SALINITY AT SANTA MARTA COASTAL AREA (COLOMBIA)

FRANCISCO GARC脥A
M.Sc. Ing. Ambiental, Universidad del Magdalena, Docente, fcofdogarcia@yahoo.com

CARLOS PALACIO
Ph.D Ingenier铆a, Universidad de Antioquia, Docente, cpalacio@udea.edu.co

URIEL GARCIA
Bi贸logo, Universidad del Magdalena, Docente, uriel.garcia@yahoo.es

Recibido para revisar Marzo 11 de 2011, aceptado Junio 29 de 2011, versi贸n final Agosto 30 de 2011

RESUMEN: Fueron determinados los perfiles de temperatura, salinidad y densidad en el punto de descarga del emisario submarino de Santa Marta. Se encontraron tres masas de aguas. Los periodos de estratificaci贸n t茅rmica coinciden con las dos 茅pocas de lluvias en la regi贸n (entre abril y junio la primera y agosto y diciembre la segunda). El espesor de la termoclina puede alcanzar hasta 12 metros de espesor y gradientes t茅rmicos de 0.67 掳C/m.

PALABRAS CLAVE: Perfil de salinidad, perfil de temperatura, termoclina, estratificaci贸n

ABSTRACT: Temperatura, salinity and density profiles were determined at Santa Marta submarine outfall dischargue point. Two water masses were found. The periods of thermal stratification coincide with two rainy stations (between April and June the first one and August and December the second one). The thermocline can reach up to 12 meters of thickness and thermal gradients of 0.67 掳C/m.

KEYWORDS: Salinity profile, Temperature profile, Themocline, Estratification

1. INTRODUCCI脫N

En general en los ecosistemas marinos, los flujos de marea, vientos locales, surgencias y el aporte de agua dulce proveniente de r铆os, generan condiciones hidrogr谩ficas de mezcla y estratificaci贸n de la columna de agua [1, 2], provocando cambios en el balance de nutrientes y en el estado tr贸fico de estos ecosistemas [2, 3]. Un incremento de los niveles de nutrientes en la columna de agua de bah铆as y estuarios, se asocia a los procesos de mezcla [2, 4, 5] mientras que la disminuci贸n en los niveles de estos para la superficie o su acumulaci贸n en el fondo de la columna de agua, se observa bajo condiciones de estratificaci贸n [2, 5].

En el 脕rea Costera de Santa Marta (ACSM) que incluye, las Bah铆as de Taganga y Santa Marta (BTySM), se ha desarrollado un uso diversificado de las aguas marinas que involucran recreaci贸n, saneamiento b谩sico y una creciente actividad industrial y portuaria. En esta zona, que es uno de los principales destinos tur铆sticos del pa铆s, dados sus paisajes y la belleza natural de sus playas, tambi茅n se disponen las aguas residuales de la ciudad mediante el uso de un emisario submarino que en la actualidad vierte 1000 L/s. Es un 谩rea propicia para el arribo de buques de gran calado, dado que a pocos metros de su l铆nea costera se pueden encontrar profundidades importantes, lo que ha permitido el desarrollo de la actividad portuaria. Todos estos usos del ACSM se combinan con la pesca artesanal una de las principales fuentes de sustento de poblaciones nativas. Ello ha tra铆do como consecuencia un importante impacto antr贸pico que genera problemas de contaminaci贸n ambiental, como lo han descrito algunos autores [10-15]. En estos estudios de calidad de agua se encontraron indicios de contaminaci贸n de las aguas recreacionales [10-15]; los coliformes fecales y totales mostraron valores altos superiores a los l铆mites permisibles para aguas de contacto primario [15].

Las alteraciones sobre la calidad bacteriol贸gica del agua en el ACSM son generalmente atribuidas a la disposici贸n final de aguas residuales mediante el uso del emisario submarino. Sin embargo no existe informaci贸n cient铆fica que pueda corroborar o refutar dicha tesis. Despu茅s de la descarga de agua residual desde los difusores del emisario submarino al medio marino, la pluma asciende r谩pidamente a trav茅s de la columna de agua, debido a su flotabilidad en relaci贸n con las aguas circundantes [16]. En el proceso de ascenso la misma se va diluyendo, disminuyendo la concentraci贸n de sustancias contaminantes y aumentando gradualmente su densidad, hasta igualar la del medio receptor. Eventualmente pueden ocurrir niveles de atrapamiento de la pluma flotante, bien sea en la superficie o en un punto de la columna de agua donde alcanza su flotabilidad neutra. El nivel de atrapamiento por flotabilidad neutra, est谩 gobernado por la aparici贸n de estratificaci贸n en la columna de agua [16].

En este art铆culo se presentan los resultados de las mediciones de los perfiles verticales de temperatura, salinidad y densidad, en el punto donde se ubica la descarga del emisario submarino en el ACSM. A partir de estos datos se determina la presencia de termoclinas, para inferir si ocurre o no el atrapamiento de la pluma de la descarga de aguas residuales.

2. MATERIALES Y METODOS

2.1 脕rea de estudio
El ACSM que incluye las BTySM, se ubica entre los 11,21 y 11,30 de latitud norte y -74,20 y -74,24 de longitud oeste en el Mar Caribe. La localizaci贸n de la misma se puede apreciar en la Figura 1, donde a la vez se muestra la ubicaci贸n de la estaci贸n de medici贸n (11,25 Lat., -74,22 Long.) usada en esta investigaci贸n. Su conformaci贸n es abierta y su l铆nea costera est谩 limitada al norte y al sur por formaciones rocosas y en su parte central predomina una playa arenosa. El r茅gimen clim谩tico regional comprende una 茅poca lluviosa de junio a noviembre y otra de sequ铆a de diciembre a mayo, durante la cual se presenta la influencia de los vientos alisios del noreste, con una velocidad media de 6,0 m/s y rango de variaci贸n de 0,3 - 12 m/s [9, 17]. Debido a la configuraci贸n de la costa y a la orientaci贸n, intensidad y frecuencia de los vientos alisios se presenta un evento de surgencia local moderado, durante la 茅poca seca.

Figura 1. Localizaci贸n del ACSM y de la estaci贸n oceanogr谩fica

2.3 An谩lisis
Los datos incluyeron mediciones de profundidad, temperatura y conductividad, deriv谩ndose de estos la salinidad y la densidad, calculadas a partir de la ecuaci贸n de estado para agua de mar [19], siguiendo la recomendaci贸n de la UNESCO [20]. Se generaron perfiles verticales de temperatura, densidad y salinidad y diagramas T-S. La termoclina, picnoclina y capa de mezcla, se encontr贸 mediante el uso del algoritmo hibrido para MLD (mixed layer depth) propuesto por Holte et al. [21]. Para determinar la profundidad de la termoclina se us贸 el m茅todo del umbral que busca la profundidad a la cual la temperatura o los perfiles de densidad cambian en un valor predefinido y relativo con referencia los registros de la superficie. Para determinar la profundidad de la termoclina en el ACSM se asumi贸 que hay un gradiente fuerte en la base de la capa de mezcla y por lo tanto, se buscan valores cr铆ticos de gradiente [21].

3. RESULTADOS

3.1 Perfiles de temperatura, salinidad y densidad
Los perfiles de temperatura, salinidad y densidad obtenidos en la columna de agua en la estaci贸n de monitoreo, se muestran en la Figura 2. Las mediciones hidrogr谩ficas entre enero y mediados de marzo revelan una capa superficial bien mezclada, en la que los perfiles verticales de la temperatura, la salinidad y densidad, son casi uniformes. En este periodo ocurren procesos turbulentos de mezcla accionados por la energ铆a e贸lica y el intercambio de calor en la interface entre el aire y el mar que crean condiciones de mezcla entre el fondo del oc茅ano y la superficie. Se presentan igualmente corrientes ascensionales en direcci贸n a la costa (surgencia o afloramiento) [22]. Dicho fen贸meno oceanogr谩fico es muy significativo entre Punta Gallinas y Puerto Colombia [6, 22, 9]. Este afloramiento de aguas profundas, que provienen entre los 100 y los 200 m de profundidad, es generado por los vientos Alisios que producen un transporte masivo de agua (transporte Ekman) superficial y subsuperficial en direcci贸n perpendicular y hacia la derecha (por efecto de la fuerza de Coriolis) de la direcci贸n del viento, pr谩cticamente paralela a la costa. El retiro masivo de agua en la costa deja un vac铆o que es r谩pidamente reemplazado por agua profunda con temperaturas de 21-25 潞C y salinidades de 36. -37.2 partes por mil. Estas aguas, con tales caracter铆sticas f铆sicas, pertenece a la 芦masa de agua subtropical sumergida禄 (MASS) que se localiza entre los 100 y 200 m de profundidad en el Mar Caribe [6, 22]. La MASS tiene su origen aproximadamente en la latitud 30潞N en el oc茅ano Atl谩ntico, zona donde la evaporaci贸n es muy alta y las precipitaciones muy bajas por causa de los vientos Alisios.

Figura 2. Perfiles de Salinidad (l铆nea roja), temperatura (l铆nea azul) y densidad (l铆nea negra)de la columna de agua a).Enero, b).Febrero, c).Marzo, d).Abril e).Mayo, f).Junio, g).Julio, h).Agosto, i).Septiembre, j).Octubre, k).Noviembre, l). Diciembre.

En este periodo del a帽o no hay estratificaci贸n dado que hay un flujo ascensional de agua fr铆a y m谩s densa que no permite la formaci贸n de capas. Tambi茅n ocurre un periodo de surgencia menor en el mes de julio. La surgencia costera est谩 bien delimitada durante las estaciones secas.

Hay dos 茅pocas del a帽o donde ocurren claros periodos de estratificaci贸n, de finales de abril a junio y entre agosto y diciembre. En estos hay una marcada diferencia entre los valores de temperatura en la superficie y el fondo. Las temperaturas registradas van entre 26 y 30 潞C y densidades menores a 35 Unidades Pr谩cticas de Salinidad (UPS). Estos periodos de estratificaci贸n ocurren durante las estaciones h煤medas, especialmente en la de mayor duraci贸n. La surgencia es nula debido a la ausencia de los vientos Alisios. Otro factor favorable para la formaci贸n de capas estratificadas, es la presencia de la contracorriente de Colombia; esta viene acompa帽ada por los vientos provenientes del suroeste-oeste y que tambi茅n act煤an como impulsores de dicha corriente [22].

Con respecto a la evoluci贸n temporal de las temperaturas en la columna de agua (superficie y fondo) en el ACSM durante el periodo de estudio, se registraron valores extremos de 22.3掳C y 30.2掳C correspondientes a los meses de febrero y agosto respectivamente. La media anual fue de 26.2掳C. De diciembre a abril las temperaturas superficiales se mantuvieron por debajo de la media anual. De mayo a noviembre se mantienen por encima de la media anual exceptuando el mes de julio donde se presenta un descenso considerable de temperatura. La salinidad, registr贸 valores extremos entre 35.6 UPS y 36.5 UPS en los meses de agosto y abril respectivamente, indicando una variaci贸n anual de 0.9 UPS. La media anual fue de 36.1 UPS. Las salinidades mayores por encima de la media anual se registran de enero a julio y las menores, inferiores a la media anual se presentan de agosto a diciembre. Con relaci贸n a la densidad se registran valores superficiales extremos de 22 y 24.8 kg/m3 en los meses de agosto y enero respectivamente. La media anual fue de 24 kg/m3 y las densidades mayores por encima de la media anual se presentan de enero a abril y las menores inferiores a la media anual se registran de mayo a diciembre.

3.2 Termoclina y Picnoclina
En la Figura 3 se presentan las profundidades de la termoclina y picnoclina para los periodos de estratificaci贸n. El algoritmo usado identifica la profundidad de la capa de mezcla (MLD) que se muestra en la figura como una l铆nea azul horizontal, para cada perfil de temperatura y densidad (l铆neas gruesas negras verticales). Igualmente se trazan las pendientes de las termoclinas (l铆nea roja) en la grafica de la temperatura. La l铆nea roja tambi茅n es la pendiente de la picnoclina para los perfiles de densidad. La profundidad de intersecci贸n de la termoclina y la capa de mezcla se muestra con un punto de color naranja, mientras que para la picnoclina el punto es de color verde. El fondo de la termoclina es el punto en donde dejan de coincidir el perfil de temperatura (l铆nea negra gruesa) y la pendiente de la termoclina (l铆nea roja). La informaci贸n de la profundidad de la capa de estratificaci贸n, su punto de inicio y finalizaci贸n en la columna de agua, su espesor y los gradientes logrados se muestra en la Tabla 1.

Figura 3. MLD, termoclina y picnoclina para los perfiles de temperatura y densidad en el ACSM a).Abril, b).Mayo, c).Junio, d).Agosto, e).Septiembre, f).Octubre, g).Noviembre, h).Diciembre.

Tabla 1. Formaci贸n de la en el ACSM para los periodos de estratificaci贸n

4. DISCUSI脫N

Los perfiles de salinidad, temperatura y densidad en el mes de marzo muestran una distribuci贸n de agua uniforme y estable, es decir, hay muy poca diferencia entre los valores medidos en la superficie y el fondo. El diagrama TS (Figura 4) muestra las masas de aguas encontradas. Las condiciones hidrogr谩ficas dan indicios de la presencia de dos masas de agua bien definidas, la MASS y MACC. La primera de estas coincide con los vientos alisios y la 茅poca seca entre enero y abril y una 茅poca de menor intensidad y corta duraci贸n en julio. En ella los perfiles son uniformes con poca variaci贸n entre la superficie y el fondo. Son generalmente aguas m谩s fr铆as y con salinidades altas que llegan por la circulaci贸n termohalina que permite el afloramiento o surgencia de aguas profundas en la bah铆a. La MACC ocurre en la 茅poca de lluvias, entre abril y junio la primera y agosto y diciembre la segunda. Son aguas menos densas y con una mayor temperatura que pueden alcanzar los 30掳C. La alternaci贸n de estas dos masas de agua, permite la ocurrencia de una tercera, no muy bien definida que puede tener caracter铆sticas mixtas entre la MASS y la MACC. Esta se ha denominado de transici贸n o MAT. Las diferencias de temperatura entre el fondo y la superficie de la columna de agua en el ACSM son el factor predominante de los cambios de densidad.

Figura 4. Diagrama T-S para ACSM

Al observar la variaci贸n temporal de la temperatura y la salinidad tanto en el fondo como en la superficie de la columna de agua (ver Figura 5), se advierte que esta 煤ltima, no registra diferencias importantes entre los dos niveles; por el contrario la temperatura, presenta periodos de tiempo en los que hay diferencias marcadas (superiores a los 5掳C) entre los valores del fondo y de la superficie.

Figura 5. Variaci贸n temporal de la temperatura, salinidad y densidad en el ACSM. Superficie (l铆nea azul), fondo (l铆nea roja).

En la 茅poca del a帽o con aguas de la MASS, no hay estratificaci贸n vertical en el ACSM. Este fen贸meno ocurre cuando se presenta la masa de agua asociada con la MACC. Es all铆 cuando pueden experimentarse termoclinas con gradientes hasta de 0,67掳C/m. En el periodo de aguas de transici贸n que se da a finales de los meses de abril, junio, agosto y diciembre pueden ocurrir periodos cortos de estratificaci贸n con gradientes m谩s bajos.

La informaci贸n de la presencia de la termoclina en el ACSM da indicios del atrapamiento de la pluma flotante de la descarga de aguas residuales, dispuestas por el emisario submarino; cuando ocurre el fen贸meno de estratificaci贸n de la columna de agua (entre abril y junio) y de agosto a diciembre). El resto del a帽o la pluma puede aflorar a la superficie, all铆 el proceso de diluci贸n juega un papel importante en la disminuci贸n de los contaminantes vertidos.

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen a COLCIENCIAS y las universidades del Magdalena y de Antioquia por la financiaci贸n brindada para este estudio.

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