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Ciencias marinas
Print version ISSN 0185-3880
Cienc. mar vol.47 n.2 Ensenada Apr./Jun. 2021 Epub Dec 02, 2022
https://doi.org/10.7773/cm.v47i2.3116
Artículos
Tiempo de retención y capacidad de transporte de los remolinos del noroeste del golfo de México
1Facultad de Ciencias Marinas, Universidad Autónoma de Baja California, Carretera Ensenada-Tijuana No. 3917, zona Playitas, 22860 Ensenada, Baja California, Mexico.
2Instituto de Investigaciones Oceanológicas, Universidad Autónoma de Baja California, Carretera Ensenada-Tijuana, No. 3917, zona Playitas, 22860 Ensenada, Baja California, Mexico.
Los remolinos son estructuras transitorias que influyen en gran medida en la circulación promedio del océano. Modifican la distribución de masa y propiedades como calor, sal, clorofila y partículas inertes. La capacidad que tienen los remolinos para transportar propiedades o partículas depende de su capacidad de retención. En este estudio se identificaron y caracterizaron los remolinos de mesoescala del noroeste del golfo de México (NOGM) a través de un método lagrangiano que permite evaluar el tiempo de retención y la fracción de masa que pueden retener y transportar. Para el análisis, se utilizaron datos diarios de altimetría de 1993 a 2016. En el periodo de estudio se detectaron un total de 254 remolinos, 73 anticiclones y 181 ciclones. Se identificó una región (94.75º W, 26.75º N) donde ocurren ~30% del total de los remolinos ciclónicos detectados entre las isóbatas de 1,000 y 2,500 m. En promedio, el radio de los remolinos fue de ~40 km para la isobata <1,000 m y ~70 km para la isobata >2,500 m. Los remolinos de mesoescala del NOGM pueden trasportar ~60% de la masa que contenían al momento de ser detectados. En promedio, el transporte de masa ocurrió por 33 d para los ciclones y por 26 d para los anticiclones. Rara vez ocurrió por 60 d o más.
Palabras clave: remolinos; método lagrangiano; retención de masa de agua; derrame de hidrocarburos; transporte
Eddies are transient structures that strongly influence mean ocean circulation. They modify the distribution of mass and properties such as heat, salt, chlorophyll, and passive particles. The capacity of eddies to transport properties or particles depends on their retention capacity. In this study the mesoscale eddies of the northwestern Gulf of Mexico (NWGM) were identified and characterized through a Lagrangian method that allows estimating the retention time and the mass fraction that they can retain and transport. For the analysis, daily 1993-2016 altimetry data were used. A total of 254 eddies, 73 anticyclones, and 181 cyclones, were detected in the study period. Approximately 30% of total detected eddies were identified to occur in a region at 94.75º W and 26.75º N, between the 1,000- and 2,500-m isobaths. On average, eddy radius was ~40 km for isobath <1,000 m and ~70 km for isobath >2,500 m. Mesoscale eddies in the NWGM can transport ~60% of the mass they had when they were detected. On average, mass transport occurs over 33 d for cyclones and 26 d for anticyclones. It rarely occurs for 60 d or more.
Key words: eddies; Lagrangian method; water mass retention; oil spill; transport
Introducción
Los remolinos son estructuras muy comunes en el océano que tienen un impacto importante en el transporte de masa y propiedades como el calor y la sal. Por ejemplo, los remolinos que se liberan de la corriente del Lazo (CL) transportan agua del Caribe a través del golfo de México (GM) (Nowlin et al. 1998, Oey et al. 2005, Tenreiro et al. 2018). Se ha demostrado que los remolinos pueden modular la distribución de clorofila mediante advección horizontal (Chelton et al. 2011a), además de aumentar la productividad mediante mecanismos de surgencia (Hamilton y Lee 2005). Los remolinos también pueden afectar la distribución y el transporte del plancton y de larvas de peces (Lobel y Robinson 1988, Sánchez-Velasco et al. 2013, Condie y Condie 2016).
La circulación general en el GM es anticiclónica y su dinámica está influenciada por la CL (Elliott 1982, Vidal et al. 1994, Zavala-Hidalgo et al. 2014, Meunier et al. 2018). La CL es una corriente intensa que entra al GM por el estrecho de Yucatán, se extiende hacia el norte del GM y da un giro al este para salir por el estrecho de Florida (Andrade-Canto et al. 2013). Recibe su nombre por la forma de lazo que presenta dentro del GM. De la CL se desprenden grandes remolinos anticiclónicos con diámetros de hasta 300 km (Nowlin et al. 1998, Oey et al. 2005), en intervalos irregulares que van de los 15 d a los 18 meses (Andrade-Canto et al. 2013). Comúnmente, los remolinos que se liberan de la CL influencian la circulación, las propiedades hidrográficas y las masas de agua del GM. Se desplazan hacia el oeste hasta impactar contra el talud de la plataforma oeste del GM, donde pueden intercambiar momento con su entorno y generar corrientes costeras (Biggs et al. 1996, Ohlmann y Niiler 2005), además de generar remolinos a través de su interacción con la costa (Vidal et al. 1994) y con otros remolinos (Hamilton et al. 1999) presentes en la región.
El noroeste del GM (NOGM) (Fig. 1) es una región altamente dinámica con una gran cantidad de remolinos (Merrell y Morrison 1981; Vidal et al. 1992, 1994; Hamilton 2007). La circulación está dominada por remolinos ciclónicos y anticiclónicos de tamaños, periodos y tiempos de duración ampliamente variables. Comúnmente se presentan varios remolinos de forma simultánea (Hamilton 2007). Además, se sabe que en esta región existen remolinos cuya generación es independiente de los remolinos que se liberan de la CL (Hamilton 2007).
Figura 1 Mapa del golfo de México con la localización del área de estudio (recuadro negro). Las curvas negras representan la batimetría y el cuadro rojo delimita la región C. Las zonas están representadas por los colores sólidos (ver el texto principal para más detalles).
Los remolinos del NOGM han sido estudiados mediante hidrografía (Hamilton 1992, Hamilton et al. 2002), derivadores (Ohlmann et al. 2001), boyas ancladas (Hamilton y Lee 2005), altimetría satelital de las anomalías del nivel del mar (Leben 2005) e incluso mediante la combinación de diferentes métodos (Hamilton 2007). En los diferentes estudios se han definido las características morfológicas de los remolinos; sin embargo, esto se ha hecho bajo el supuesto de que la masa de agua contenida dentro de ellos es siempre la misma (Chelton et al. 2011b). Beron-Vera et al. (2008) demostraron que la frontera de los remolinos, obtenida mediante métodos eulerianos como contornos de altura del nivel del mar (SSH, por sus siglas en inglés) u Okubo-Weiss (Okubo 1970, Weiss 1991), por lo general, se deforma en pocos días y, por tanto, parte de la masa que encierra dicha frontera se dispersa en el medio circundante. Adicionalmente, diversos estudios han demostrado que la capacidad de transporte de masa de los remolinos es limitada, pues durante su recorrido, intercambian agua con su entorno (e.g., Biggs et al. 1996, Lipphardt et al. 2008, Wang et al. 2016). Particularmente, Lipphardt et al. (2008) demostraron que gran parte del núcleo original del remolino Millenium (ocurrido durante el año 2001) se dispersó en el oeste del GM y que este núcleo contenía agua del golfo occidental y no solamente agua del Caribe. Por lo tanto, para analizar la capacidad de transporte de los remolinos, es recomendable estudiarlos desde un punto de vista lagrangiano que permita distinguir procesos que son difíciles de apreciar a partir de líneas de corriente o de contornos de SSH (Lipphardt et al. 2008; Beron-Vera et al. 2008, 2013).
Pocos estudios han cuantificado por cuánto tiempo los remolinos son capaces de transportar masa y conservar sus propiedades (d’Ovidio et al. 2013, Condie y Condie 2016, Cetina-Heredia et al. 2019). Este tema es de particular interés en el NOGM, dado que la dinámica oceánica de la región está influenciada por una gran cantidad de remolinos (Andrade-Canto et al. 2013, Meunier et al. 2018). Además, en dicha región se desarrolla una intensa labor petrolera, la cual se pretende extender hacia aguas más profundas. Un derrame de hidrocarburos puede costar millones de dólares en pérdidas y en daños ambientales, como en el caso del derrame del Deepwater Horizon (e.g., Smith et al. 2011). En caso de un derrame de hidrocarburos en el NOGM, es importante evaluar el efecto que podrían tener los remolinos en la retención y dispersión de hidrocarburos en esta región. Esta información pude utilizarse para realizar predicciones en términos de tiempos de retención.
En este trabajo, se identifican los remolinos presentes en el NOGM entre enero de 1993 y diciembre de 2016. Se determina la frontera de los remolinos, sus características morfológicas, el tiempo que estos pudieron transportar una masa de agua en su interior (tiempo de coherencia) y el porcentaje de masa que retuvieron durante dicho tiempo. Para ello, se utiliza el método propuesto por Haller et al. (2016), en el que se definen los remolinos como vórtices lagrangianos rotacionalmente coherentes.
Materiales y métodos
La detección de remolinos se realiza a partir del campo de corrientes superficiales geostróficas = (u,v) calculadas a partir de la topografía dinámica absoluta η como
donde g es la aceleración gravitatoria, f = 2Ω sin λ es el parámetro de Coriolis, Ω es la velocidad angular de rotación de la Tierra,
Para este estudio, se utilizaron los campos de SSH obtenidos de la base de datos de Archiving, Validation and Interpretation of Satellite Oceanographic Data (AVISO, https://www.aviso.altimetry.fr/duacs/). Los datos utilizados cubren el periodo de enero de 1993 a diciembre de 2016 y tienen una resolución espacial de 1/4º y resolución temporal de un día. Los datos se encuentran disponibles en la base de datos de Copernicus Marine Services en la siguiente dirección web: https://resources.marine.copernicus.eu/?option=com_csw&view=details&product_id=SEALEVEL_GLO_PHY_L4_REP_OBSERVATIONS_008_047 (fecha de acceso: agosto de 2020).
El método para la detección de remolinos utilizado en este trabajo se basa en el cálculo del campo de la desviación de la vorticidad lagrangiana promedio (LAVD, por sus siglas en inglés). El campo de LAVD es una medida dinámicamente consistente y objetiva de la rotación de material neto, relativo al promedio espacial de la rotación del volumen del fluido (Haller et al. 2016). Este método permite identificar objetivamente tubos materiales a lo largo de los cuales pequeños volúmenes de fluido experimentan la misma rotación neta en un intervalo de tiempo [t 0 ,t τ ] relativo a la rotación de cuerpo rígido promedio del fluido (Haller et al. 2016). Por tanto, es posible detectar el límite de un remolino de manera clara. Estos límites no presentan filamentación y el interior del remolino no tiene mezcla advectiva con sus alrededores (Haller et al. 2016).
Del campo de velocidades geostróficas se puede obtener la trayectoria de las partículas de fluido resolviendo
con lo que se define el mapa de flujo
que da seguimiento a las partículas desde su posición inicial x
0
al tiempo inicial, t
0
, hasta una posición posterior
La vorticidad relativa ω de las partículas que pertenecen al mapa de flujo se calcula para cada instante de tiempo como sigue:
y el campo de LAVD se define matemáticamente como sigue:
donde
Con base en la definición de LAVD, un remolino contiene una familia anidada de superficies de nivel de LAVD, con valores máximos en el centro (Haller et al. 2016). El anillo más externo de esa familia de curvas anidadas (anillo límite) define la frontera del conjunto de partículas que se mantienen unidas. Todas rotan con la misma tasa de rotación media como si fuesen la superficie de un cuerpo rígido durante el tiempo de integración para el que fue calculado el campo de LAVD.
La advección de partículas se realizó a partir de una malla inicial con resolución de 1/32º. La trayectoria de las partículas se determina utilizando el método Runge-Kutta de cuarto/quinto orden con un paso de tiempo adaptativo y un método de interpolación tricúbico. Los campos de LAVD se calculan a partir de la vorticidad de las partículas advectadas (ecuación 5).
El proceso de identificación de los remolinos se realizó cada 15 d a partir del 01 de enero de 1993 hasta el 01 de diciembre de 2016. Para cada proceso de identificación, se realizó el cálculo de campos de LAVD integrando hacia adelante en el tiempo desde un tiempo inicial t 0 hasta un tiempo de integración final t = t 0 + τ, donde τ va desde 15 d hasta 120 d en intervalos diarios. El tiempo máximo de integración (τ = 120 d) se fijó por ensayos preliminares que indicaron que los remolinos del NOGM rara vez alcanzan 120 d de coherencia.
Los remolinos se identificaron siguiendo las recomendaciones de Haller et al. (2016) y de Abernathey y Haller (2018). A continuación, se enlistan los principales pasos y criterios utilizados:
Se detectaron los máximos de cada campo de LAVD.
De cada campo de LAVD, se extrajo el contorno cerrado más externo que satisfizo la tolerancia de convexidad 0.01.
Se descartaron los anillos límite con radios menores que 22 km.
Cada anillo se advectó desde un tiempo t 0 hasta τ. Se consideraron como coherentes al tiempo τ los anillos con L τ /L 0 < 1.1, donde L 0 y L τ son el perímetro del anillo al inicio y al final de la advección, respectivamente.
Para asegurar que los remolinos se contabilizaran una sola ocasión durante su periodo de coherencia, en cada proceso de identificación se verificó que los centroides de los nuevos remolinos detectados estuviesen fuera del anillo frontera de los remolinos detectados en el proceso anterior.
La frontera del remolino es el anillo límite que se obtiene del campo de LAVD calculado con τ = 15 d. De ahora en adelante se le denomina anillo frontera (Af). De cada campo de LAVD con 15 < τ ≤ 120 d, se determinaron anillos límite concéntricos con radios decrecientes hacia el centro. El último anillo que se puede detectar delimita al núcleo del remolino y se le denomina anillo de coherencia (Ac) (Fig. 2).
Figura 2 Ejemplo de la detección de un remolino ciclónico. La secuencia de (a) a (f) representa el contorno de la altura de la superficie del mar advectada y los anillos frontera calculados con el campo de la desviación de la vorticidad lagrangiana promedio. La cruz representa el centroide del anillo de coherencia (Rc). Rb, anillo de frontera; SSH, altura del nivel del mar.
Características de los remolinos
La batimetría puede afectar el comportamiento y las características de los remolinos (Lipphardt et al. 2008). Por ello, para el análisis, el área de estudio se dividió en 3 zonas, una somera (zona 1) con profundidades inferiores a 1,000 m, una intermedia (zona 2) con profundidades entre 1,000 y 2,500 m, y una profunda (zona 3) con profundidades superiores a los 2,500 m (Fig. 1).
La posición inicial del remolino se define como el centroide de Af. Las distancias desde el centroide hasta cada punto de la frontera definen un conjunto de radios que definen sus características. La trayectoria del remolino se obtiene de la posición del centroide del Ac para cada instante de tiempo. En este trabajo se consideraron solo los remolinos de mesoescala, por lo que el Ac debió ser mayor que ~22 km, el radio de deformación de Rossby baroclínico para el NOGM (Hamilton 2007).
La velocidad angular, σ, se calcula como sigue:
donde Θ es el desplazamiento angular, V la velocidad tangencial promedio de las partículas en la frontera del remolino y
El tiempo de coherencia de cada remolino corresponde al tiempo τ al cual se obtuvo el Ac. Como ejemplo, en la Figura 2 se muestra la evolución temporal del contorno de SSH, el Af (τ = 15), un anillo límite para τ = 18, y el Ac (τ = 22) de un remolino del NOGM desde su detección hasta 5 d después de perder su coherencia (ver material suplementario: la animación en la versión en línea [Animación S1] o la secuencia de figuras en este documento [Fig. S1]). Este ejemplo muestra que el contorno de SSH se filamenta rápidamente y que algunas partículas de este contorno se dispersan hacia el oeste, mientras que la parte coherente del remolino detectado con el método LAVD, delimitada por Ac, se mantiene coherente por 22 d. Cuando ocurre la filamentación de Ac (Fig. 2f), se hace evidente que el remolino ha perdido su coherencia.
El porcentaje de la masa que se conserva al tiempo de coherencia, L, se estima como sigue:
donde
Resultados
Identificación de remolinos en el noroeste del golfo de México
En el análisis de los 23 años se identificaron un total de 254 remolinos en el NOGM, de los cuales 181 fueron ciclónicos y 73 anticiclónicos (Tabla 1). Es notorio el predominio de los remolinos ciclónicos sobre los anticiclónicos en relación 2.5:1.0. Los remolinos ciclónicos estuvieron presentes el 80.5% del tiempo total del estudio, mientras que los anticiclónicos solamente estuvieron presentes el 27.7% del tiempo (Tabla 1); es decir, los remolinos ciclónicos estuvieron presentes casi 3 veces más tiempo que los remolinos anticiclónicos. La relación entre remolinos ciclónicos y anticiclónicos fue de 3.3:1.0 en la zona 1, 2.5:1.0 en la zona 2 y 1.8:1.0 en la zona 3. La densidad de remolinos por cada 10,000 km2 en las zonas 1, 2 y 3 fue de 9, 29 y 18 para los ciclónicos y de 3, 11 y 10 para los anticiclónicos, respectivamente.
Tabla 1 Número y características de remolinos detectados con el método lagrangiano en el noroeste del golfo de México (NWGM, por sus siglas en inglés) de 1993 a 2016.
| Type | Description | Zone 1 | Zone 2 | Zone 3 | NWGM |
| Cyclones | Quantity | 35 | 112 | 34 | 181 |
| Median radius (km) | 40.48 | 53.18 | 55.53 | 51.52 | |
| Quartile range (km) | 24.17 | 24.93 | 48.72 | 48.72 | |
| Persistence time | - | - | - | 27.77% | |
| Anticyclones | Quantity | 10 | 44 | 19 | 73 |
| Median radius (km) | 43.6 | 50.00 | 68.28 | 52.80 | |
| Quartile range (km) | 20.96 | 26.89 | 27.45 | 28.39 | |
| Persistence time | - | - | - | 80.49% | |
| All | Quantity | 45 | 156 | 53 | 264 |
Aproximadamente el 31% de los remolinos ciclónicos de la zona 2 se detectaron en un área de 1º × 1º, marcada como Región C en la Figura 1. En esta área ocurrieron más del doble de los remolinos ciclónicos que se esperarían si la ocurrencia de remolinos fuera homogénea en toda el área. Por su parte, los remolinos anticiclónicos presentaron una distribución espacial más uniforme que su contraparte ciclónica. Sin embargo, se observaron 3 sectores al rededor de la región C en los que ocurrieron un mayor número de anticiclones: uno al este, otro al oeste y el último al suroeste (Fig. 3).
Figura 3 Cetroides de anticiclones (a) y ciclones (b) para la zona 1 (círculos), 2 (cuadrados) y 3 (triángulos). En (a) y (b) la barra de colores indica el radio de los remolinos. También se muestra el número de anticiclones (c) y ciclones (d) detectados en conjuntos de 0.5 × 0.5º. En (c) and (d) la barra de colores representa el número de remolimos detectados por conjunto.
Estadística descriptiva de remolinos
La frontera de los remolinos detectados con LAVD permite definir el radio como la distancia desde el centroide hasta el límite del conjunto de partículas que se mantienen rotando juntas dentro del remolino. En la zona 1, el 75% de los remolinos tuvieron radio menor que 54 km. La mediana del radio fue de ~40 km, aunque se detectaron remolinos ciclónicos que alcanzaron ~90 km de radio. En la zona 2, 75% de los remolinos tuvieron radio menor que 65 km y la mediana del radio fue de ~50 km. En contraste, los remolinos anticiclónicos (ciclónicos) de la zona 3 fueron, en promedio, ~25 km (~15 km) más grandes que los anticiclones (ciclones) de la zona 1 (valor de P < 0.1 para anticiclones y ciclones). Pese a la diferencia entre la mediana de los radios de los ciclones y de los anticiclones de la zona 3, no se detectó diferencia significativa entre ciclones y anticiclones al considerar todos los remolinos de la zona, debido a la variabilidad de los radios de los remolinos. En la Figura 4(a, b) se puede apreciar que el radio de los remolinos de la zona somera fue menor que el radio de los de la zona profunda y pareciera indicar una tendencia lineal. Un análisis de correlación lineal entre el radio y la batimetría asociada al centroide del remolino mostró que la batimetría podría tener una influencia moderada en el tamaño de estos (ρ = 0.35, valor de P < 0.1).
Figura 4 (a) Profundidad correspondiente al centroide de los ciclones (diamantes) y anticiclones (círculos) como función del radio. Las líneas grises punteadas delimitan las profundidades de cada zona. La curva de la regresión lineal se muestra en negro. (b) Diagrama de cajas de los radios de los remolinos para cada zona de detección. (c) Diagrama de cajas del periodo de rotación de los remolinos en cada zona de detección. La parte superior de cada caja representa el percentil 75 y la parte inferior el percentil 25; la línea negra dentro de la caja es la mediana, las cruces rojas identifican valores atípicos y las barras inferiores y superiores son los valores mínimos y máximos, respectivamente.
El periodo de rotación de los remolinos también mostró una diferencia entre la zona somera y la zona profunda (valor de P < 0.1), pero con relación lineal baja entre ambos (ρ = 0.25, valor de P < 0.1) (Fig. 4c). El periodo de rotación de los remolinos de la zona somera fue mayor que el periodo de rotación de los remolinos de la zona profunda. En promedio, los periodos de rotación de los remolinos ciclónicos y anticiclónicos de la zona 3 fueron, respectivamente, 7 y 4 d menos que los correspondientes a los remolinos de la zona 1.
El tiempo de coherencia es el tiempo durante el cual el remolino conserva las partículas de su núcleo dentro de él. En el momento que un remolino pierde coherencia, deja de comportarse como un cuerpo rígido y se deforma. En consecuencia, libera o intercambia partículas con el medio que lo rodea. La mayoría de los remolinos detectados tienen tiempos de coherencia menores que 60 d (Fig. 5a). La mediana del tiempo de coherencia de los ciclones aumentó con la profundidad que corresponde a la posición de su centroide, desde 25 d en la zona 1 hasta aproximadamente 44 d en la zona 3 (Fig. 5a). Sin embargo, la correlación lineal entre ambas variables para los remolinos ciclónicos fue baja (ρ = 0.29, valor de P < 0.1). En contraste, el tiempo de coherencia de los anticiclones fue similar en las 3 bandas de profundidad, con una mediana de alrededor de los 30 d (Fig. 5a).
Figura 5 (a) Diagrama de cajas de los tiempos de coherencia de los remolinos de cada zona. (b) Diagrama de caja de los porcentajes de las masas preservadas para los remolinos de cada zona. La parte superior de cada caja representa el percentil 75 y la parte inferior el percentil 25; la línea negra dentro de la caja es la mediana, las cruces rojas identifican valores atípicos y las barras inferiores y superiores son los valores mínimos y máximos, respectivamente.
Los contornos de los remolinos detectados con métodos lagrangianos, como el utilizado en este trabajo, representan curvas materiales. Si suponemos que el fluido es incompresible, el área delimitada por el contorno del remolino es proporcional a la masa que contiene en su interior. Por lo que, al comparar el área inicial del remolino contra el área del Ac (i.e., la relación L), podemos tener una idea de la cantidad de masa que el remolino es capaz de retener durante su periodo de coherencia. En promedio, los remolinos detectados en el NOGM conservaron ~60% de su masa a lo largo de su periodo de coherencia. En general, no se apreciaron diferencias entre los remolinos ciclónicos y los remolinos anticiclónicos excepto en la zona 1, donde los ciclones tuvieron una ligera tendencia a conservar más masa que los remolinos de las otras zonas (valor de P < 0.1). Por otro lado, los remolinos pequeños tendieron a disiparse al perder coherencia, mientras que los remolinos grandes pudieron reagruparse y conformar un nuevo remolino que contenía parte de la masa del remolino anterior y agua del entorno.
Discusión
Remolinos del noroeste del golfo de México
Los métodos eulerianos suponen que los remolinos de mesoescala, definidos a partir de contornos de SSH o líneas de corriente (Fig. 2), atrapan y transportan masas de agua por largos periodos de tiempo, particularmente cuando la velocidad de rotación U (el máximo de las velocidades geostróficas promedio de los contornos cerrados de SSH dentro del remolino; Chelton et al. 2011b) domina sobre la velocidad de traslación c, U/c > 1 (Chelton et al. 2011b). Sin embargo, la masa de agua o las partículas contenidas dentro de un remolino pueden atravesar los contornos de SSH (ver Fig. 2 y el ejemplo al final de la sección Estadística descriptiva de remolinos) o de las líneas de corriente (Lipphardt et al. 2008), por lo que la capacidad de los remolinos para transportar partículas podría ser evaluada de manera incorrecta (Beron-Vera et al. 2008). Por lo general, los contornos de los remolinos detectados de manera euleriana se estiran y se pliegan en el transcurso de un par de semanas, incluso si U/c > 1, lo que conlleva a la filamentación del remolino (i.e., pérdida de coherencia; Beron-Vera et al. 2013).
La detección de remolinos a partir de métodos eulerianos está limitada por la resolución de los datos de entrada. Al respecto, Chelton et al. (2011b) y Le Vu et al. (2018) aconsejan descartar remolinos con un radio inferior a 50 km cuando se detectan con datos de AVISO con una resolución de 1/4º. De manera contrastante, Abernathey y Haller (2018), aplicando la metodología de LAVD, descartaron remolinos con radio menor que 15 km a partir de datos de 1/6º de resolución, y Haller et al. (2016) descartaron los remolinos con radio menor que 20 km a partir de datos de AVISO de 1/4º. La detección de remolinos con radio inferior a 50 km es posible debido a que el método LAVD no depende de una descripción instantánea de los campos de velocidades o de SSH. Este método se basa en la integral a lo largo del tiempo de la vorticidad de las partículas advectadas (Haller et al. 2016).
Por otra parte, se sabe que los remolinos lagrangianos coherentes, como los detectados con el método LAVD, generalmente tienen un radio menor que el radio de su contraparte euleriana (Beron-Vera et al 2008, 2015; Wang et al. 2016; Abernathey y Haller 2018) (Fig. 2). Por lo tanto, para dar una idea de la fiabilidad de la detección de remolinos pequeños con el método LAVD, estos se compararon con su contraparte euleriana, detectada a partir de contornos cerrados de SSH. Todos los remolinos lagrangianos con un radio menor que 50 km tuvieron un radio euleriano mayor que 40 km, y el 95%, un radio euleriano mayor que 50 km.
De acuerdo con el análisis realizado, en esta región hay más remolinos ciclónicos que anticiclónicos (2.5:1.0). Esto es consistente con lo que se puede inferir de las Figuras 3a y 4a de Hamilton (2007). Dentro de la zona 2, se delimitó la región C, en la cual ocurren casi 30% más remolinos ciclónicos que en el resto de la zona (Figs. 1, 3d). Esto permite suponer que, si ocurriese un derrame de hidrocarburo en esta región, es ~30% más probable que el hidrocarburo se quede atrapado dentro de un remolino y que sea transportado mientras el remolino mantenga su coherencia. Adicionalmente, los remolinos ciclónicos coherentes tienen la capacidad de atraer partículas con densidad menor que la densidad del agua (Beron-Vera et al. 2015). Específicamente, los centros de LAVD son los atrayentes en estos remolinos (Haller et al. 2016), y por tanto se puede hipotetizar que un hidrocarburo ligero (densidad igual o menor que la del agua) posiblemente será atraído hacia el centro del LAVD del remolino ciclónico y que dicho hidrocarburo será transportado hasta que el remolino pierda su coherencia.
Características de los remolinos
La definición apropiada de la frontera de los remolinos es una tarea desafiante, ya que depende del criterio que se utilice para hacerlo (e.g., contornos de SSH, líneas de corriente, contornos de temperatura, trayectorias de boyas, etc.). En este estudio, se determinó la frontera del remolino (Af) y el Ac, el cual coincide con el límite del núcleo del remolino, mediante el uso del método LAVD. En conjunto, estos 2 anillos permiten definir características que son de gran interés, el tiempo de retención y el porcentaje de masa retenida, variables clave en la dispersión de partículas ligeras como hidrocarburos.
En estudios previos como los de Hamilton (1992, 2007) se indican que algunos remolinos del NOGM pueden tener una duración euleriana de hasta 6 meses, sin contemplar los tiempos de retención/coherencia. Un estudio similar realizado en la costa este de Australia mostró que los tiempos de retención de partículas dentro de los remolinos fueron 24 y 27 d para los anticiclones y ciclones, respectivamente (Cetina-Heredia et al. 2019). Adicionalmente, estudios sobre remolinos que se desprenden de la retroflexión de la corriente de Agulhas mostraron tiempos de coherencia de entre 3 meses y 1 año (Wang et al. 2015) e incluso remolinos con tiempos de coherencia superior a un año y medio (Beron-Vera et al. 2013, Wang et al. 2016). La gran variedad en los tiempos de coherencia permite suponer que no hay un patrón global y que cada zona necesita un análisis particular.
Los remolinos del NOGM conservan ~60% de su masa hasta que pierden su coherencia. Estudios similares han demostrado que los remolinos que se liberan de la retroflexión de la corriente de Agulhas sólo conservan un 30% de la masa que contenían inicialmente (Wang et al. 2015, 2016), lo cual sugiere que los remolinos tienen una capacidad limitada para transportar masa durante su tiempo de vida. Esto refuerza la importancia de estudiar el transporte de masa que realizan los remolinos a partir de métodos lagrangianos, como el utilizado en este trabajo.
Adicionalmente, se observó en diversas ocasiones la presencia simultánea de varios remolinos. Es posible que algunos de estos casos correspondan con los dipolos/tripolos que han sido descritos en la zona (Merrell y Morrison 1981, Merrell y Vázquez 1983, Lipphardt et al. 2008). Estas estructuras pueden favorecer la interacción entre remolinos y, en consecuencia, que ocurra pérdida de coherencia. Sin embargo, este tema tendría que ser estudiado aparte con la intención de determinar lo que sucede con las propiedades de la masa de agua de los remolinos cuando ocurren dipolos o tripolos.
Estos resultados y su análisis pueden ser de gran interés para la evaluación del transporte en caso de derrames de hidrocarburos o para estudiar el transporte de biota por remolinos en la región. Por ejemplo, conocer los tiempos de coherencia y el porcentaje de masa que conservan los remolinos del NOGM es el comienzo para tomar decisiones asertivas en caso de que ocurra un derrame de hidrocarburos. Por todo esto, la relación entre el radio periférico Af y su núcleo Ac es una manera práctica para estimar el porcentaje de masa que conserva un remolino desde su detección hasta su pérdida de coherencia. Finalmente, los parámetros de los remolinos que aquí se reportan pueden ser utilizados como base para la validación de modelos numéricos de la circulación del NOGM.
En resumen, la mediana de los radios de los remolinos del NOGM detectados en este estudio varían de ~40 km en la zona más somera a ~70 km en la zona más profunda. Se pudo observar que los remolinos del NOGM retienen aproximadamente el 60% de su masa inicial desde el momento de su detección hasta que pierden su coherencia. También se observó que rara vez los remolinos de la región retienen su masa inicial por más de 60 d. Particularmente, los remolinos ciclónicos de la región, en promedio, retienen su masa inicial por ~33 d, mientras que los anticiclónicos la retienen por ~26 d. Por último, existe una región, centrada en 94.75º W y 26.75º N, donde ocurren aproximadamente el 30% del total de remolinos ciclónicos detectados entre las isóbatas de 1,000 y 2,500 m.
Agradecimientos
Esta investigación ha sido financiada por el Fondo Sectorial CONACYT-SENER-Hidrocarburos (proyecto No. 201441). Esta es una contribución del Consorcio de Investigación del Golfo de México (CIGoM). Los productos de altimetría utilizados fueron generados por SSALTO/DUACS y son distribuidos por AVISO, con el apoyo del Centro Nacional de Estudios Espaciales (CNES, Francia). FB agradece a José A Zepeda-Domínguez sus sugerencias y comentarios durante la redacción de este manuscrito. Agradecemos todos los comentarios y sugerencias de los revisores anónimos, los cuales ayudaron a mejorar la calidad del artículo.
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Supplementary material
Figura S1 Evolución temporal de un remolino ciclónico detectado en el golfo de México el 1 de mayo de 1993 hasta 5 días después de perder su coherencia. El contorno negro representa el contorno del remolino obtenido de los datos de la altura del nivel del mar; el contorno amarillo más externo, el anillo de frontera (Rb); el siguiente contorno naranja, un anillo límite cualquiera entre Rb y el anillo de coherencia (Rc); y el contorno rojo, el Rc. La pérdida de coherencia se puede apreciar cuando Rc comienza al filamentarse (22 d). El centro del remolino fue calculado como el centro geométrico de Rc (cruz negra).
Recibido: 28 de Febrero de 2020; Aprobado: 15 de Septiembre de 2020
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