Aquestes notes tracten sobre l'oceanografia regional dels mars costaners. L'oceanografia regional pot ser descrita com la successora de l'oceanografia física durant la primera meitat del segle XX, una branca de la ciència que va sorgir de la geografia física. Estudia l'impacte dels detalls topogràfics dels oceans en la circulació oceànica –la profunditat dels llindars oceànics, la influència de les barreres continentals, l'importància dels rius– i investiga l'efecte de les forces atmosfèriques tals com l'acció del vent, la distribució de les pluges i la seva variació estacional en l'estructura hidrològica del mar.

L'oceanografia regional dels mars profunds és una temàtica relativament senzilla, tracta sobre tres oceans i s'enfoca mitjançant la recerca de tot allò que tenen en comú, on i per què difereixen. Durant els darrers cinquanta anys s'han fet ràpids avenços en aquest camp que han produït un progrés significatiu de la nostra comprensió de la dinàmica dels oceans. Com a resultat, l'oceanografia està ara més a prop de la dinàmica de fluids teòrica que de les seves arrels geogràfiques, i la descripció regional de l'oceà profund és impossible sense almenys algun coneixement elemental dels principis físics.

L'oceanografia regional dels mars de plataforma, és a dir, una descripció de la circulació i de les masses d'aigua en zones poc profundes de l'oceà, es basa sobretot en la comprensió dels principis físics subjacents. Els oceans del planeta tenen moltes regions de plataforma amb moltes característiques diferents. Sense un marc organitzatiu, un estudi regional dels mars sobre la plataforma es converteix en una enciclopèdia, una eina útil, però no adequada per a un tema de pregrau. Els principis de la física que regeixen els fluids ens poden proporcionar aquest marc. Ens permeten agrupar els mars soms d'acord a les forces que actuen i el seu balanç entre elles, la qual cosa permet seleccionar alguns d'ells com a prototipus per discutir-ne uns altres.

Aquestes notes, intenten introduir els principis de la dinàmica de fluids geofísics a un nivell suficient per a encetar una comprensió de la dinàmica de la plataforma, éssent prou elemental per a permetre que tots els estudiants interessats en l'oceanografia regional de la plataforma puguin accedir-hi.

La majoria de les persones que entren en contacte amb el mar, i volen aprendre més, mai arriben molt més enllà de la terra ferma que la mesura equivalent a una excursió d'un dia. L'oceà profund està fora de l'abast de la majoria d'ells, bé perquè un vaixell d'investigació oceànica no està disponible, o bé per què el seu interès es centra en la zona costanera, o ambdues coses alhora. És cert que molta de la recerca oceanogràfica es pot fer sense haver d'aventurar-se en les profunditats del mar. Però no és cert, tot i la creença generalitzada, que les regions poc profundes dels oceans del món es poden entendre sense recórrer a la comprensió de la circulació profunda de l'oceà. L'oceanografia ha estat testimoni de molts intents de presentar una introducció a l'oceà costaner, sense una discussió oberta de la dinàmica dels oceans. El resultat és, invariablement, una col·lecció eclèctica de diversos aspectes de l'oceanografia sense una base ferma. Un enfocament sistemàtic ha de començar amb una visió general de la dinàmica de l'oceà profund i procedir a les aplicacions d'aquells elements que regeixen la dinàmica de l'oceà poc profund.

La raó principal per la qual una revisió de la dinàmica dels oceans profunds ha de precedir la discussió dels mars poc profunds és deguda al fet que, desafortunadament, la dinàmica de les aigües somes a prop de les costes és molt més complexe que la dinàmica de les aigües profundes de l'oceà. Per donar només alguns exemples, la circulació a l'interior de l'oceà pot ser entesa com un moviment sense fricció, mentre que la fricció a la plataforma rares vegades es pot evitar. Les marees a l'oceà obert són generalment petites, i un anàlisi de la circulació de l'oceà obert pot passar per alt els efectes de la marea. A la plataforma, les marees tenen importants conseqüències per a l'estratificació i el moviment de l'aigua, als estuaris poden esdevenir-ne una força dominant. Els corrents impulsats pel vent a l'oceà profund es poden entendre sense el coneixement dels detalls de la mescla turbulenta, en aigües somes, el tipus de barreja a la capa superficial és un factor determinant per a la força i direcció del moviment de l'aigua induït pel vent. Aquestes i altres complicacions, més enllà del simple balanç de forçes que es troba a les profunditats de l'oceà, fan que sigui més difícil presentar l'oceanografia regional dels mars de plataforma a un nivell introductori. No obstant això, la tasca és possible com intentarem provar.

Algunes definicions

Llavors, com i de quina manera els mars costaners es diferencien de les aigües profundes de l'oceà? Per respondre aquesta pregunta es requereixen algunes definicions. Comencem amb la definició de plataforma. La costa és el límit entre l'aigua i la terra ferma, però no delimita la frontera entre els continents i els oceans. El continents "suren" en l'escorça terrestre. La seva distribució de massa pot ser comparada amb la dels icebergs que suren a l'aigua: la major part de la massa està sumergida, empenyent l'escorça cap avall per fer una capa combinada de matèria asseguda sobre el mantell de la Terra d'uns 50 km de gruix (en comparació, el mantell es troba a 5 km per sota del fons de l'oceà). Els flancs dels continents s'eleven sobtadament des del fons, però no arriben a la superfície del mar, sinó que acaben més o menys abruptament a uns 200 m per sota el nivell del mar actual (Figura 1.1). La regió entre el contorn de profunditat de 200 m, i la costa es coneix com la plataforma continental. Aquesta és la part dels continents que està coberta per l'aigua de l'oceà, o si es vol, aquella part de l'oceà on les seves aigües mullen els continents. El lloc on la plataforma continental s'uneix als flancs dels continents, prop de la marca de 200 metres de profunditat, s'anomena el bord de la plataforma.

L'amplada de la plataforma continental varia considerablement. Algunes regions, que experimenten la pressió del moviment de les plaques continentals resultant de la subducció del fons del mar sota els continents, no presenten en absolut una gran plataforma continental, són exemples les costes de Xile, Perú i la costa de Filipines. Altres regions, contenen una sèrie d'àrees aparentment desconnectades de la terra ferma, que en realitat constitueixen les parts més altes d'una massa de terra continental contínua coberta d'extensos mars de plataforma. Irlanda i les Illes Britàniques, per exemple, són les àrees més occidentals de la terra ferma que pertanyen al continent euroasiàtic, on els mars d'Irlanda i del Nord són com estanys de poca profunditat. La figura 1.2 mostra l'extensió de la plataforma continental dels oceans del món. Les regions de plataforma més grans es troben a l'Oceà Àrtic, des de Sibèria fins al mar de Bering, i a l'arxipèlag canadenc al sud de la badia de Hudson. Altres regions amb grans plataformes inclouen els mars costaners d'Europa, els mars poc profunds al llarg d'Àsia Oriental (Mar de Okchotsk, la Xina Oriental i el Mar Groc) la plataforma del sud-est d'Àsia i Austràlia (la plataforma Sunda i Arafura i el Mar de Timor) els Grans Bancs de Terranova, la plataforma Patagònica i la del Golf Pèrsic.

L'extensió de la plataforma continental porta a una definició dels mars de plataforma com aquella part dels oceans adjacent a una costa i dins de la isòbata de 200 m. Els mars costaners o de plataforma abasten una varietat de regions de diferent caràcter oceanogràfic que requereixen una major diferenciació. La primera i fonamental distinció és entre l'oceà propiament dit i els estuaris. Ens referirem a l'oceà costaner com aquelles regions dels mars costaners amb gran afinitat cap a l'oceà profund, i el definirem, com les regions de les plataformes marines que mostren una dinàmica d'aigües profundes, modificades per la profunditat de l'aigua soma i la presència de de la costa. En la majoria dels casos, això significa que la força motriu del moviment de l'aigua és la força del vent i que les forces termohalines (la influència dels canvis de temperatura i salinitat en l'estratificació) són d'importància secundària. Per contra, els estuaris es defineixen com aquelles parts dels mars costaners on el moviment de l'aigua està controlat sobretot pel forçament termohalí.

Una definició més refinada dels estuaris s'introduirà, junt amb la descripció detallada de la seva dinàmica, en la segona part d'aquestes notes. Ara és important aclarir la definició de l'oceà costaner i evitar malentesos. El terme oceà costaner s'utilitza de vegades per descriure els processos vora de la línia de costa, on el moviment de l'aigua (i sediments) està fortament afectat pel moviment de les onades i el trencament de l'onatge. Aquesta regió, sovint –i més apropiadament– anomenada zona costanera, és la part menys profunda del mar. La seva dinàmica no s'inclou aquí, i una descripció de la zona costanera no forma part d'aquestes notes. Això no vol dir que sigui una part irrellevant del mar. No obstant això, el tractament adequat de la dinàmica de la zona costanera, ha de fer front a processos de trencament de l'onatge, a la dinàmica de la capa límit associada als processos de fricció a escala centimètrica, als processos del moviment de sediments i la seva classificació segons la mida del gra de sorra, etc. Això porta inevitablement a consideracions més adients per a un curs sobre enginyeria oceànica que sobre oceanografia regional, una tasca que no cerquem. Per tant, hem d'insistir que fem servir el terme mar costaner com un sinònim de tots els mars de plataforma, excepte els estuaris. Així definit, l'oceà costaner inclou la zona costanera, però la descripció de la dinàmica oceànica costanera no inclou la dinàmica de la zona costanera.

Una distinció, que es fa generalment aplicable a sub-regions dels oceans, és entre mars adjacents o marginals i mars mediterranis. Un mar adjacent o mar marginal es defineix com una part de l'oceà que està separada de les principals conques oceàniques per característiques topogràfiques com ara les illes o configuracions de la costa en forma de badia. En molts casos la identificació d'una regió de l'oceà com un mar marginal és merament geogràfica i no es relaciona amb dinàmiques diferents, ja que el mar marginal té profunditats oceàniques i per tant mostra un comportament dinàmic similar a l'oceà profund. Considereu, per exemple, el Mar de Tasmània: es tracta d'un mar adjacent de l'Oceà Pacífic, però els seus corrents i masses d'aigua segueixen la mateixa dinàmica que els de l'Oceà Pacífic del Sud. Per tant, és clar que totes les regions costaneres dels oceans (amb l'excepció dels mars mediterranis) són mars adjacents, però no tots els mars adjacents són regions costaneres de l'oceà. Per ser més específics, l'oceà costaner comprèn els mars adjacents, on la dinàmica es modifica per la profunditat i la presència de la costa.

Un mar mediterrani es defineix (Tomczak i Godfrey, 1994) com una part dels oceans del món que només té comunicació limitada amb les principals conques oceàniques i on, com a resultat, la circulació està dominada pel forçament termohalí. El requisit de comunicació limitada, distingeix geogràficament els mars mediterranis de les principals conques oceàniques. La preponderència del forçament termohalí obliga a diferenciar-los des del punt de vista de la dinàmica dels oceans, ja que el moviment de l'aigua en el quilòmetre superior de l'oceà obert sol estar dominat pel forçament del vent, com veurem amb més detall en el capítol següent. Tots els mars mediterranis que es troben a la plataforma són mars costaners, els que tenen les conques més profundes de 200 metres no ho són. Per dir-ho d'una altra manera, les categories dels mars adjacents i mediterranis van més enllà dels mars costaners. La figura 1.3 mostra les relacions entre les diverses definicions.

Sense entrar encara en més detalls, és útil en aquest moment assenyalar la semblança de la definició de mars mediterranis amb la definició donada per als estuaris. Les dinàmiques dels estuaris i dels mars mediterranis, en efecte, tenen molts paral·lelismes i és impossible donar una clara distinció entre els dos sense una comprensió més detallada de la dinàmica dels oceans profunds. Com una distinció preliminar, encara que dinàmicament superficial, s'observa que fins i tot el més petit mar mediterrani és un ordre de magnitud més gran en grandària que l'estuari més gran. Serem capaços d'avaluar les conseqüències dinàmiques d'aquesta diferència de mida després de la revisió de la dinàmica de l'oceà profund en el pròxim capítol.

Diferències entre l'oceà profund i el costaner

Després d'haver posat una mica d'esforç en les definicions, tornem a la nostra pregunta de com els mars de plataforma difereixen dels oceans profunds. Els capítols 3 i 10 es dedicaran a la resposta en detall. A nivell introductori és útil fer unes poques observacions. La primera observació té a veure amb les aigües somes. La presència del fons del mar en el rang de profunditats dels moviments forts o moderats de l'aigua és responsable dels efectes de fregament que no poden ser ignorats a l'oceà costaner, però que en general no tenen importància en les conques oceàniques profundes. El moviment de l'aigua sobre el fons del mar, estableix una capa límit de fricció prop del fons de la mateixa manera com el vent que bufa sobre la superfície del mar produeix la capa d'Ekman, una capa límit de fricció en la superfície del mar a través de la qual l'impuls del vent es tranfereix als corrents. Els corrents del fons en les profunditats de l'oceà són generalment tan lents que la capa límit de fricció associada pot descartar-se de la seva dinàmica. El capítol 3 analitza el paper de les capes límit de fricció en aigües poc profundes.

El segon efecte d'una fondària d'aigua poc profunda és una intensificació del moviment de les marees. Les marees són ones oceàniques de longitud d'ona molt llarga i amplituds petites en general en aigües profundes. A mesura que l'onada s'acosta a la plataforma continental augmenta la seva amplitud (igual que l'amplitud de les ones del vent augmenten a mesura que s'acosten a la vora i l'aigua es torna cada vegada més superficial) i la propagació de la cresta de l'ona es retarda. Això s'associa amb un augment significatiu del corrent de marea, que en molts mars de plataforma es converteix en el moviment dominant de l'aigua. Aquests i altres aspectes són temes del capítol 5.

La tercera diferència entre els mars de plataforma i l'oceà profund és la presència de les costes. Les costes són un obstacle per al flux lliure de l'aigua. Un corrent aproximant-se a una costa desenvoluparà convergència de flux, la qual cosa donarà lloc a l'acceleració d'aquest. D'altra banda, la convergència dels corrents superficials poden obligar a les aigües superficials a enfonsar-se a una major profunditat. Quan el vent produeix el moviment de l'aigua lluny de la costa, la divergència superfícial resultant provoca la pujada d'aigua subsuperficial a la superfície, un procés conegut com aflorament. Evidentment, convergències i divergències dels corrents també s'observen a les regions profundes de l'oceà, però generalment són molt més febles, i les velocitats verticals associades són ordres de magnitud més petites que les produïdes en les proximitats de les costes. El capítol 6 s'ocupa d'aquests processos en detall.

Un quart aspecte important, és de nou una conseqüència de la presència de les costes i en relació amb les variacions del nivell de la mar produïdes pel flux convergent i divergent. En les profunditats de l'oceà qualsevol acumulació d'aigua en una regió de convergència del flux és usualment de curta durada, resultant en l'enfonsament d'aigua de la capa superior de l'oceà cap a profunditats més grans (un procés conegut com bombeig d'Ekman que es descriu en el capítol 2). La raó és que en mar obert no es poden mantenir els gradients de pressió associats al pendent de la superfície del mar sense l'ajut de forts corrents (els corrents geostrófics discutits en el capítol 2). Els mars de plataforma poden mantenir gradients de pressió extrems sense haver de recórrer als corrents, ja que l'aigua pot "recolzar-se" contra la costa. El pendent associat de la superfície del mar es pot mantenir, per exemple, per un vent que bufa cap a terra. Això es coneix com una surgència o –en situacions extremes– una maror. Alguns mars costaners són més propensos a les marees altes que altres, i en algunes regions la surgència d'una tempesta constitueix un dels fenòmens naturals més perillosos. Aquest aspecte de la dinàmica de mars costaners es discuteix en el capítol 4.

El cinquè aspecte està relacionat amb l'estratificació. La profunditat de l'aigua superficial limita el volum d'aigua disponible per a la barreja. Això intensifica el cicle estacional de la temperatura, ja que l'aigua s'escalfa i es refreda més ràpid que a l'oceà obert. En algunes regions de plataforma la salinitat està sotmesa a grans variacions estacionals, també com a conseqüència de l'entrada estacional de molta aigua dolça de pluja o de l'escolament dels rius. Aquests efectes poden donar lloc a la creació d'una termoclina estacional particularment forta durant l'estiu, que actua com un impediment per a l'intercanvi de propietats. En altres paraules, la barreja a través de la columna d'aigua es redueix, els corrents estan restringits a la capa superior de la termoclina i la qualitat de l'aigua es pot veure afectada negativament per la falta d'intercanvi turbulent de propietats. El capítol 3 inclou aquests aspectes en la discussió de la capa límit en aigües somes, es repasa sobretot l'efecte de l'estratificació en l'estructura de la capa límit i en el seu abast.

Finalment, el sisè aspecte que estableix les diferèncias entre el mars de plataforma i les aigües de l'oceà profund és la seva exposició a influències terrestres. Dos dels tres elements principals del cicle hidrològic, l'evaporació i la precipitació, actuen com a fonts o embornals distribuïts sobre tota la superfície de l'oceà. El tercer element, l'escolament fluvial, constitueix un conjunt de fonts puntuals que afecten exclusivament a l'oceà costaner. La introducció de grans quantitats d'aigua dolça en un mar poc profund pot produir gradients horitzontals de densitat prou grans com per a mantenir un flux induït per flotabilitat (és a dir, un flux impulsat pel forçament termohalí). La coexistència de fluxos induïts pel vent i per la flotabilitat en la part superior de l'oceà és una situació que no es troba normalment en aigües de l'oceà profund. Alguns mars de plataforma evidencien de forma molt convincent que el forçament termohalí ha de ser inclòs en qualsevol descripció de la seva dinàmica. Aquestes preguntes s'adreçen amb més detall en el capítol 4.

Probablement, els sis punts abans esmentats no cobreixen tots els processos importants que es poden trobar a qualsevol regió de plataforma, però capturen els més importants i representen els processos que han de ser considerats en totes les situacions d'aigües somes, independentment de les peculiaritats locals. Com s'ha esmentat anteriorment, el tractament de totes les situacions possibles en una plataforma només pot ser ofert per una enciclopèdia. El marc organitzatiu desenvolupat aquí ens pot ajudar a tractar la majoria dels aspectes de la dinàmica d'un mar de plataforma, i per tant proporcionar aspectes rellevants per a la majoria de les situacions.