Intercambios de calor superficiales en una planicie de marea estuarial (estuario de Bahía Blanca, Argentina)

Surface heat exchanges in an estuarine tidal flat (Bahía Blanca estuary, Argentina)

D Beigt^1*, MC Píccolo^{1, 2}, GME Perillo^{1, 3}

¹ Instituto Argentino de Oceanografía, CC 804, Florida 4000, Edificio E1, (8000) Bahía Blanca, Argentina. * E-mail: dbeigt@criba.edu.ar

³ Departamento de Geología, Universidad Nacional del Sur, San Juan 670, (8000) Bahía Blanca, Argentina.

Recibido en diciembre de 2006.
Aceptado en octubre de 2007.

Resumen

El propósito de este artículo es proporcionar un análisis de los intercambios calóricos que ocurren en una planicie mareal del estuario de Bahía Blanca (Argentina). Se estudiaron los flujos de calor a través de las interfases agua-atmósfera y sedimento-atmósfera (inundación y exposición de la planicie, respectivamente). Los datos se recolectaron en Puerto Cuatreros (localizado en las cercanías de la cabecera del estuario) durante un ciclo anual (2003). Se utilizaron ecuaciones aerodinámicas que parametrizan los flujos radiativos y turbulentos a partir de datos meteorológicos disponibles. La radiación solar y la temperatura del aire, agua y sedimento se registraron cada 10 min. La temperatura del suelo se midió en tres profundidades (0.05, 0.15 y 0.25 m). Los datos meteorológicos se registraron cada 30 min en la estación meteorológica del estuario, localizada en Puerto Rosales. Las condiciones atmosféricas y la marea regularon los intercambios de calor. En todas las estaciones del año los flujos calóricos más importantes fueron la radiación neta y el flujo de calor latente, alcanzando valores máximos de 816 y 776 W m^-2, respectivamente, en verano, en horas posteriores al mediodía. La inundación mareal afectó la dirección y magnitud del flujo de calor sensible y el flujo de calor en el suelo. Durante un día despejado de verano, las inundaciones nocturnas calentaron el sedimento de la planicie mareal, causando un flujo ascendente de calor sensible. La inundación matutina enfrió el sedimento y se produjo un flujo descendente de calor sensible que alcanzó un valor de -183 W m^-2. El flujo de calor en el suelo se redujo rápidamente durante las horas de inundación, acercándose a cero. La evaporación anual estimada fue 2127 mm.

Palabras clave: intercambios de calor, temperatura, planicies de marea, evaporación.

The purpose of this article is to provide an analysis of the heat exchanges occurring at a tidal flat of the Bahía Blanca estuary (Argentina). Heat fluxes across the water-atmosphere and sediment-atmosphere interfaces (inundation and exposure, respectively) were studied. Data were collected at Puerto Cuatreros (located near the estuary's head) during one annual cycle (2003). Bulk aerodynamic formulas were used to estimate the radiative and turbulent fluxes from available meteorological data. Air, water and soil temperatures, as well as solar radiation were measured every 10 min. Soil temperature was recorded at three depths (0.05, 0.15 and 0.25 m). Meteorological data were obtained at 30-min intervals from the estuary's weather station located at Puerto Rosales. Atmospheric and tidal conditions regulated the heat exchanges. The most important heat fluxes in every season were net radiation and latent heat flux, reaching maximum values of 816 and 776 W m^-2, respectively, after midday in summer. Tidal inundation affected the direction and magnitude of sensible and soil heat fluxes. During a cloudless summer day, nocturnal inundations heated the tidal flat sediment, causing an upward flow of sensible heat. A tidal inundation in the morning cooled the sediment and a downward flow of sensible heat developed (reaching -183 W m^-2). Soil heat flux was rapidly reduced during the hours of inundation, becoming nearly zero. The estimated annual evaporation was 2127 mm.

Key words: heat exchanges, temperature, tidal flats, evaporation.

Introducción

Los hábitats intermareales juegan un rol importante dentro de un estuario. Son áreas de cría y refugio de muchas especies de peces e invertebrados y, por lo tanto, ejercen influencia sobre la productividad de las aguas adyacentes (Crooks y Turner 1999). El conocimiento de los procesos físicos que se desarrollan en estas áreas es de vital importancia en la evaluación de la biodiversidad de un estuario. Específicamente, el análisis de los intercambios de calor en ambientes intermareales es de gran importancia en el estudio de su ecología (Heath 1976), especialmente debido a los rápidos cambios de temperatura que generalmente ocurren en estas áreas.

El estuario de Bahía Blanca (38°42'-39°25' S, 61°50'-62°22' W) (fig. 1), situado en el sudoeste de la provincia de Buenos Aires, es el estuario más grande de Argentina después del estuario del Río de la Plata. Se ha clasificado como un estuario de planicie costera mesomareal y comprende un área de 2300 km², 50% de la cual corresponde a planicies de marea. La principal entrada de energía mecánica al sistema es generada por una onda de marea semidiurna (Perillo et al. 2000). El rango de marea medio se incrementa desde la boca (2.2 m) hacia la cabecera (3.5 m; Perillo y Píccolo 1991). Los rangos mareales medios en sicigias y cuadraturas son 2.7 y 1.8 m en la boca y 4 y 3 m en la cabecera, respectivamente (Perillo et al. 2004). Intensas corrientes de marea (que alcanzan los 0.6-0.8 m s^-1 en los canales más profundos cercanos a Puerto Rosales, Perillo et al. 2004) y vientos determinan la circulación estuarial y generan la mezcla vertical, causando gran turbidez. Los principales tributarios que aportan agua dulce al sistema son el Río Sauce Chico y el Arroyo Napostá Grande. Los vientos son persistentes a lo largo del año, con una velocidad media anual de 6.25 m s^-1. El número de días en un año en que éstos presentan velocidades mayores a 43 km h^-1 puede ser hasta de 196 días (Capelli de Steffens y Campo de Ferreras 2004). Las planicies de marea del estuario de Bahía Blanca son superficies de escasa pendiente, principalmente compuestas por sedimento limo-arcilloso. Debido a la predominancia de la fracción fina, el agua es retenida en los intersticios y los sedimentos se hallan generalmente en un estado de saturación o cercano a la saturación (Beigt et al. 2003). Investigaciones previas han demostrado que durante los meses invernales el contenido de agua en el sedimento de las planicies de marea es de aproximadamente 40% en bajamar (Cuadrado, com. pers.). Durante el verano se suelen observar valores altos de salinidad en la cabecera del estuario. El valor más alto que se ha registrado es de 52 (Freije et al. 1981). La principal causa de la hipersalinidad en el interior del estuario es probablemente la existencia de valores altos de evaporación (Freije et al. 1981).

En diversos estuarios se han efectuado estudios sobre balance de calor (Smith 1977, Hsu 1978, Smith 1981, Smith y Kierspe 1981, Vugts y Zimmerman 1985, Harrison y Phizacklea 1985). La investigación acerca de la evaporación ha sido desarrollada, entre otros, por Hollins y Ridd (1997), quienes estudiaron una planicie de marea tropical de Cocoa Creek (EUA), y por Hughes et al. (2001), quienes estimaron la evapotranspiración de una marisma salada templada en el estuario del Río Hunter (Australia). Existen pocos trabajos previos relacionados con esta temática en el estuario de Bahía Blanca. Serman y Cardini (1983) efectuaron una predicción de la temperatura media del agua superficial en el interior del estuario utilizando un modelo de balance de calor para la interfase agua-atmósfera. Sequeira y Píccolo (1985) desarrollaron un modelo analítico para predecir la temperatura del agua en la zona intermareal durante las bajamares. El modelo se basa en la ecuación de balance de calor aplicada a la interfase agua-atmósfera. Sin embargo, aún son necesarios estudios más detallados, referidos a los intercambios calóricos en la zona intermareal.

Los estudios de balance energético sobre la superficie terrestre muestran cómo la energía solar es localmente redistribuída para crear un microclima particular (Kjerfve 1978). El principio de conservación de la energía establece que todas las ganancias y pérdidas de energía en la superficie del suelo deben equilibrarse. Dicho principio puede expresarse a través de la ecuación de balance de calor (1), la cual establece que en cualquier momento dado el flujo de radiación neta debe ser equivalente a una combinación de intercambio convectivo (turbulento) hacia o desde la atmósfera (calor sensible y latente), de flujo conductivo hacia o desde el suelo y de flujo advectivo entrante o saliente (Oke 1978):

donde R_N es la radiación neta [W m^-2], Q_H es el flujo de calor sensible [W m^-2], Q_G es el flujo de calor en el suelo [W m^-2], LE es el flujo de calor latente [W m^-2] y Q_A es el flujo de calor advectivo [W m^-2].

Métodos

Las condiciones meteorológicas y oceanográficas se monitorearon en el estuario de Bahía Blanca de enero a diciembre de 2003. La tabla 1 muestra una lista de los sensores utilizados. La temperatura se midió cada 10 min mediante una cadena de termistores instalada en el área de estudio (fig. 2). Los termistores se localizaron debajo de la superficie del sedimento (a 0.05, 0.15 y 0.25 m de profundidad), en la columna de agua (1 m de profundidad en bajamar) y en la columna de aire (a 3 m de altura). Otro termistor, ubicado a 0.05 m de altura, registró la temperatura del agua o del aire dependiendo del estado de marea. La radiación solar se registró cada 10 min mediante un piranómetro SKS 1110 y la altura de marea se obtuvo con un mareógrafo WTG904/2. Ambos equipos fueron instalados en la planicie mareal de Puerto Cuatreros.

Dadas las dificultades para obtener un registro meteorológico continuo en la estación Puerto Cuatreros debido a las actividades propias del puerto, se consideró apropiado utilizar para este estudio los datos provistos por la estación meteorológica de Puerto Rosales. Así, la presión atmosférica, la humedad relativa y la velocidad y dirección del viento se obtuvieron a intervalos de 30 min en la estación meteorológica automática del estuario, situada en Puerto Rosales (fig. 1). Previamente se efectuaron mediciones simultáneas de parámetros meteorológicos en Puerto Cuatreros y Puerto Rosales para observar la variación espacial de estas variables a lo largo del estuario. Se obtuvieron diferencias despreciables entre ambos sitios. En particular, la velocidad del viento fue levemente mayor en Puerto Rosales, siendo las diferencias medias anuales de 1.5 km h^-1.

Resultados

Se analizaron los ciclos diarios de los diferentes flujos de calor. Para sintetizar esta información, los ciclos medios diarios de los flujos calóricos correspondientes a cada estación del año se muestran en las figuras 4 y 5. Las desviaciones estándar oscilaron entre ±11.9 W m^-2 (Q_G invierno) y ±154 W m^-2 (LE, primavera). En todas las estaciones del año los términos más importantes fueron la radiación neta (R_N) y el flujo de calor latente (LE). Los valores máximos de radiación neta se observaron en verano y primavera (816 y 669 W m^-2 después del mediodía, respectivamente), mientras que los valores mínimos ocurrieron en invierno y otoño (271 y 339 W m^-2, respectivamente). Este es el comportamiento típico de la radiación solar en un área templada. Lógicamente, el flujo de calor latente también mostró sus máximos en horas posteriores al mediodía (776 W m^-2 a las 14 h en verano). Los valores máximos de flujo de calor sensible (Q_H) y advectivo (Q_A) fueron ~5 veces menores que los correspondientes a LE. El flujo de calor en el suelo (Q_G) mostró las menores magnitudes (<51 W m^-2). Q_G sigue la trayectoria diaria de la radiación neta, indicando que el sedimento recibe energía calórica a una tasa máxima luego del mediodía y pierde calor a una tasa máxima cerca del amanecer (figs. 4, 5). El flujo de calor sensible muestra dos máximos negativos en verano y primavera; el primero durante la mañana y el segundo por la tarde. Sin embargo, sólo el segundo pico está presente durante el resto del año. Puede observarse que el flujo de calor sensible es negativo (dirección descendente) en todas las estaciones del año, lo cual indica que el aire transfiere calor a la planicie de marea (sedimento/agua) a lo largo de todo el ciclo anual. Este proceso parece ser más intenso durante las estaciones cálidas. Los ciclos diarios típicos de flujo de calor latente muestran que la evaporación máxima tiene lugar durante las horas de máxima insolación (figs. 4, 5). Las mayores temperaturas del verano y primavera permiten que la evaporación se desarrolle incluso durante la noche, cuando LE se reduce pero aún es positivo. En tanto, durante las estaciones frías el flujo de calor latente se acerca a cero en horas nocturnas. El calentamiento de la planicie mareal por efecto de la radiación solar da un valor positivo al flujo advectivo (pérdida de calor) durante las horas de luz. La dirección de Q_A se revierte durante la noche, cuando la superficie fría de la planicie recibe calor de los vientos y las mareas.

Para estudiar las fluctuaciones de los flujos de calor debidas a la marea, se analizaron diferentes ciclos diarios. Los intercambios calóricos ocurridos durante un día despejado de verano (6 de enero de 2003) se muestran como ejemplo (fig. 6). Las temperaturas registradas en el aire, suelo y agua durante ese día se muestran en la figura 7. Durante las primeras horas del día (00:00-06:30), el suelo (calentado por una inundación previa) se hallaba más cálido que el aire por encima de él, permitiendo una circulación ascendente de Q_H y Q_G (figs. 6, 7). La inundación mareal de la mañana (06:40-11:10) detuvo el rápido calentamiento del sedimento por radiación solar, manteniendo su temperatura a ~20.5°C. El flujo de calor en el suelo (Q_G) se redujo bruscamente durante las horas de inundación. El aire transfirió calor al agua (Q_H negativo) durante este período. El flujo de calor sensible del aire hacia el suelo alcanzó su máximo (-183 W m^-2) cuando la marea se retiró de la planicie y el sedimento estaba 4.1°C más frío que el aire (fig. 7). Durante la bajamar el suelo fue calentado por efecto de la radiación solar, desarrollándose un flujo ascendente de Q_H. En tanto, Q_G fue positivo (dirección descendente) alcanzando un valor de 42 W m^-2 a las 13:40, cuando la radiación solar y la temperatura del aire fueron máximas. Previamente a la siguiente inundación (17-18 h, fig. 6), el aire estaba 1.7°C más cálido que el sedimento, de manera que Q_H fue nuevamente negativo (↓). Al mismo tiempo los vientos sustrajeron calor de la planicie mareal (Q_A positivo). La segunda inundación mareal evitó la pérdida de calor del suelo que hubiese ocurrido por flujos turbulentos si el sedimento hubiese estado en contacto directo con el aire. Q_G fue nuevamente reducido por la marea, produciéndose a su vez una transferencia calórica desde el agua hacia el aire (Q_H positivo). El flujo de calor latente mostró un patrón típico, siguiendo el comportamiento de la radiación neta. La condensación fue escasa y ocurrió durante las horas nocturnas (20:00-06:30), en condiciones de alta humedad relativa y bajas temperaturas del aire. La disminución en la velocidad del viento durante la noche también contribuyó al proceso de condensación. El flujo de calor latente no fue determinado de forma directa por los estados de marea debido a que la saturación continua del sedimento de la planicie permitió una disponibilidad permanente de agua para evaporar. El flujo de calor advectivo (residual) (Q_A) mostró valores positivos o nulos a lo largo del día estival, indicando una sustracción casi contínua de energía calórica de la planicie mareal. Los picos se observaron cuando la marea se retiraba de la planicie (11 h, Q_A= 367 W m^-2) o comenzaba a cubrirla (17 h, Q_A = 228 W m^-2; 6 h, Q_A = 180 W m^-2 ), indicando la importancia de las corrientes mareales y de los vientos en la distribución del calor.

El flujo de calor latente fue positivo (dirección ascendente) durante todo el año. La tasa máxima de evaporación se produjo en diciembre (12 mm d^-1) y la evaporación anual alcanzó 2127 mm (tabla 3). Los flujos advectivos debidos a los vientos (exposición) fueron siempre de menor magnitud que los causados por mareas (inundación) (fig. 8). Ambos mostraron valores medios negativos (adición de calor a la planicie mareal) durante el período de estudio, excepto en enero y diciembre (los meses más cálidos) cuando los vientos actuaron sustrayendo calor de la planicie de marea.

Discusión

Las investigaciones tradicionales desarrolladas en sitios terrestres sólo describen los intercambios de calor en la inter-fase aire-suelo y señalan la importancia de los vientos. Los flujos calóricos que tienen lugar en las interfases aire-sedimento y aire-agua de una planicie de marea muestran patrones particulares que pueden ser diferentes a los patrones típicos de un sitio que responde enteramente a la radiación solar. En estos ambientes, las mareas pueden a su vez aportar calor a la planicie mareal o sustraerlo de ésta. Los resultados de la investigación realizada durante 2003 muestran que una inundación nocturna generalmente calienta el sedimento de la planicie mareal (previamente enfriado por emisión de onda larga), causando una circulación ascendente de calor sensible. Contrariamente, una inundación mareal a mediodía o durante las primeras horas de la tarde usualmente enfría el sedimento, provocando un flujo de calor sensible desde el aire hacia la planicie mareal. El flujo de calor en el suelo siempre se reduce durante una inundación mareal, cuando el agua penetra en los intersticios del sedimento y en las cuevas de cangrejos homogeneizando la temperatura registrada a distintas profundidades (0.05 y 0.15 m). Así, las mareas afectan claramente la dirección y magnitud de los flujos del calor sensible y el calor del suelo en la planicie mareal.

Aunque en este trabajo se han realizado estimaciones preliminares de los flujos calóricos superficiales, han surgido algunas conclusiones importantes como las señaladas en los párrafos anteriores. El próximo paso consistirá en perfeccionar los cálculos de los flujos de calor para obtener resultados aún más precisos, especialmente los relacionados con la radiación de onda larga atmosférica y la advección durante la inundación. Para un cálculo apropiado de los flujos de calor en la columna de agua será necesario efectuar mediciones de corrientes mareales y temperatura del agua a diferentes profundidades. Los próximos estudios sobre intercambios de calor en las planicies de marea del estuario deberán incluir la formulación de un modelo numérico basado en los resultados de este trabajo, lo que permitirá predecir la temperatura del agua en el estuario y también relacionar los resultados presentes con procesos de escalas más amplias y períodos más largos.

Agradecimientos

Los autores agradecen al Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) la beca recibida para realizar esta investigación. Los fondos utilizados para los estudios concernientes a este artículo han sido provistos por el CONICET (PIP 2158) y por la Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica (ANPCYT) (PICT 07-12421).

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