Les propietats de les aigües als mars costaners canvien constantment. Les influències estacionals estan magnificades per la proximitat del terra, la qual cosa implica un augment de variació anual de les temperatures atmosfèriques i una concentració de l'aportació d'aigua dolça a través de l'escorriment del riu. Això fa més difícil la caracterització de les masses d'aigua que a l'oceà profund, on la major part de l'aigua no està en contacte amb l'atmosfera.

En absència de processos d'interacció aire/mar, les propietats físiques de les parcel·les d'aigua només poden variar quan es barregen amb parcel·les d'aigua de diferent origen i per tant, amb propietats diferents. Sense mescla, les parcel·les d'aigua conserven la seva temperatura i la salinitat sense canvis. Per tant, la temperatura i la salinitat, són conegudes com propietats conservatives, en contrast amb les propietats no conservatives com ara l'oxigen o els nutrients que participen dels processos bioquímics i per tant, mostren canvis dels nivells de concentració, fins i tot en absència de barreja. La temperatura i la salinitat són, per tant, les propietats hidrogràfiques més adequades per a definir les masses d'aigua i l'estudi de la seva distribució.

Masses d'aigua i tipus d'aigua

A l'oceanografia de l'oceà profund una massa d'aigua en general es defineix com un cos d'aigua amb una formació històrica comuna. Això es basa en l'observació que la renovació de l'aigua a les profunditats de l'oceà és el resultat de la formació de masses d'aigua en contacte amb l'atmosfera, estenent-se des de la regió de formació sense contacte amb l'atmosfera fins al decaïment a través de la barreja amb altres masses d'aigua. Durant la fase de difusió i barreja una massa d'aigua pot ser traçada, i la seva barreja amb altres masses d'aigua quantificada mitjançant l'anàlisi de la distribució de la temperatura i la salinitat. La idea d'una massa d'aigua com un cos d'aigua implica que ocupa un volum determinat a l'oceà. Això no s'ha d'entendre com una ocupació única d'una determinada regió oceànica. L'ocupació exclusiva és la situació de les masses d'aigua a les regions de formació, on només la massa d'aigua localment formada és present. Fora de la seva regió de formació les masses d'aigua es barrejen, i les mescles resultants comparteixen parts de l'oceà. Només en teoria és possible separar les masses d'aigua contingudes en la barreja en sub-volums, de manera que cada massa d'aigua té l'ocupació exclusiva dels seus sub-volums. No obstant això, arguments teòrics mostren que les masses d'aigua són entitats físiques que ocupen volums definibles.

L'eina bàsica per a la classificació de masses d'aigua i l'anàlisi és el diagrama temperatura-salinitat (T-S) en què les dues propietats conservatives es dibuixen les unes contra les altres. Una massa d'aigua homogènia, és a dir, una massa d'aigua de temperatura i salinitat uniforme, es presenta en un diagrama T-S com un sol punt. L'Aigua Profunda de l'Atlàntic Nord i l'Aigua Antàrtida Intermèdia (figura 10.1) són dos exemples de masses d'aigua. Altres masses d'aigua presenten alguna variació de les seves propietats amb la profunditat i són representades en els diagrames T-S per corbes. L'exemple més conegut d'aquest tipus són les masses d'aigua de la termoclina permanent conegudes com Aigua Central (figura 10.1).

Les combinacions de temperatura-salinitat identificades pels punts de masses d'aigua o corbes es coneixen com aigües tipus. En la teoria de les masses d'aigua una aigua tipus és un punt en el diagrama T-S; l'aigua amb la corresponent temperatura i salinitat pot o no existir. Les fonts d'aigües tipus són punts T-S que representen les masses d'aigua tals com són a la seva regió de formació. Donat que estan associades amb les masses d'aigua reals, pot ser més difícil de veure per què, a més a més, no representen necessàriament una volum existent d'aigua. No obstant això, les propietats de les masses d'aigua no són constants en el temps, sinó que reflecteixen les variacions de les condicions atmosfèriques en el moment de la formació de la massa d'aigua. Un hivern pot ser més fred que l'anterior hivern, o pot portar menys pluges que l'any anterior, i com a resultat, l'aigua recentment formada que s'afegeix al volum total de la massa d'aigua pot ser lleugerament més freda o salada. Si es defineix la massa d'aigua prenent la temperatura mitjana i la salinitat de dos anys, la font d'aigua tipus dóna com a resultat una bona descripció de la massa d'aigua, però no representa cap aigua que existeix en realitat. Una descripció completa d'una massa d'aigua requereix l'especificació de la font d'aigua tipus (o fonts d'aigües tipus) i les desviacions estàndard (variacions) pel que fa a la temperatura i salinitat. Una massa d'aigua homogènia que pot ser representada per una sola font d'aigua tipus té només una sola desviació estàndard per a la temperatura i una altra desviació estàndard per a la salinitat. Una massa d'aigua representada per una corba T-S (una sèrie infinita de font d'aigua tipus) té dues corbes de desviació estàndard que juntes defineixen un embolcall al voltant de la corba de definició.

Es necessiten molts anys d'observacions per a establir les desviacions de la font d'aigües tipus. Sovint, aquestes observacions no estan disponibles i no és possible definir l'enbolcall de la desviació estàndard. En la pràctica les masses d'aigua és defineixen sovint sense desviacions estàndard únicament per la seva font d'aigua tipus, i les dues es consideren el mateix. En aquest context és important ser conscient de la diferència: una massa d'aigua és un cos d'aigua físicament existent, un aigua tipus és una construcció matemàtica per descriure-la.

Diagrames temporals de T-S

Per què destinem tant d'espai per a distingir entre masses d'aigua i aigües tipus?, per què considerar les desviacions estàndard si en la majoria dels casos no disposem de les observacions que les determinen? Doncs perquè una descripció de les masses d'aigua a l'oceà costaner és un terreny relliscós sense aquests conceptes. La base de l'anàlisi de les masses d'aigua a l'oceà profund és que les desviacions de les propietats de les masses d'aigua a les regions de formació són petites en comparació amb les diferències de propietats que s'observen entre masses d'aigua diferents a certa distància de les seves regions de formació. Una altra manera d'expressar això és que els embolcalls de desviació estàndard associats amb cada massa d'aigua són petits en comparació amb la variació total del la temperatura i la salinitat a l'espai. Això fa possible distingir en la figura 10.1 entre l'Aigua Fonda de l'Atlàntic Nord i l'Aigua Intermèdia Antàrtica. El concepte del diagrama T-S no tindria sentit si la desviació estàndard de, per exemple, l'Aigua Fonda de l'Atlàntic Nord fora tant gran que abastaria la font d'aigua tipus de l'Aigua Intermèdia Antàrtica. La petitesa dels embolcalls de desviació estàndard és una característica útil de l'oceà profund, que porta masses d'aigua de regions llunyanes amb condicions atmosfèriques molt diferents però estables en contacte entre elles.

La situació a l'oceà costaner és molt diferent. Per a començar, moltes regions costaneres estan ben barrejades, de manera que els diagrames T-S com el de la figura 10.1, mostren variacions de temperatura i salinitat amb la profunditat, que no es troben sovint a l'oceà costaner. Fins i tot quan l'estratificació vertical és present, una gran part de la columna d'aigua està encara incorporada a la capa superficial de mescla, que en un diagrama T-S es representa per un tipus únic d'aigua. Encara més important, les propietats de la capa de barreja estan sotmeses a grans canvis d'una estació a una altra. Si les propietats T-S de l'oceà costaner es promitjen al llarg d'un any, la desviació estàndard resultant és molt més gran que qualsevol variació que pugui existir com a resultat de l'estratificació de la columna d'aigua en qualsevol moment en particular. Per tant, tenim una situació en que definir les masses d'aigua per la font d'aigua tipus i desviacions estàndards no té cap sentit si el concepte s'aplica a la mitjana anual.

Encara que les propietats de l'aigua a l'oceà costaner estiguin sotmeses a grans variacions no fluctuen d'una manera aleatòria sinó que segueixen un cicle estacional. És possible fer ús d'això i definir les masses d'aigua de l'oceà costaner mitjançant l'ús de l'anomenat diagrama T-S temporal. En comptes de dibuixar la temperatura envers la salinitat ja que ambdues varien amb la profunditat (com es fa en la figura 10.1), grafiquem els valors de com varien durant l'any ambdues variables a la capa de mescla. La figura 10.2 il·lustra la idea. La seqüència d'observacions preses durant més d'un any defineixen una relació T-S en el temps, que reflecteix els canvis setmanals i estacionals de les dues propietats. Les desviacions estàndars associades amb els punts de les dades quan hi ha més d'una sola mesura expressa la variabilitat diària. En conjunt, les dades indiquen, per exemple, que es pot esperar la temperatura de la masses d'aigua entre els 24° C i 26° C durant el mes més càlid i entre 5° C i 8° C durant el mes més fred, mentre que la salinitat es pot esperar que es trobi entre 33.5 i 34.3 i entre 34.5 i 35.2 durant els dos mesos, respectivament.

L'establiment d'un diagrama T-S tempporal per a una determinada regió marítima costanera requereix un esforç d'observació durant molts anys i per tant, és molt més exigent que l'esforç necessari per establir un diagrama T-S d'una estació a l'oceà profund. L'exemple de la figura 10.2 suposa que les observacions es van realitzar durant un sol any, de manera que el diagrama temporal mig de T-S derivat no representa necessàriament condicions climatològiques promitjades (l'any en particular podria haver estat inusualment càlid o fred, sec o humit). Significatives desviacions estàndard requereixen moltes observacions; però poques vegades és possible obtenir aquesta informació durant dècades per establir desviacions estàndard per una definició de massa d'aigua. En la pràctica el nombre de punts per al càlcul de cada desviació estàndard es pot incrementar mitjançant el càlcul de mitges mensuals i les associades desviacions estàndard. Això redueix el nombre de fonts d'aigua tipus al llarg del diagrama T-S temporal a dotze i augmenta el nombre d'observacions per al càlcul de cada desviació estàndard trenta vegades (si la base de dades consta d'observacions diàries). Si la sèrie temporal de mesures diàries té una durada de cinc anys ara ja no tenim cinc punts de dades per al càlcul de les mitjes diàries sinò 150 punts de dades per al càlcul de les mitjes mensuals. Si aquest procediment s'aplica al diagrama T-S de la figura 10.2, el diagrama T-S temporal resultant és molt similar (figura 10.3), però ara les desviacions estàndard representen les variacions de temperatura i salinitat dins de cada mes. Si el conjunt de dades consisteix en observacions realitzades durant cinc anys, les desviacions estàndard representen les variacions dins de cada mes i les seves variacions al llarg del període d'observació de cinc anys. Calculat d'aquesta manera, el diagrama TS temporal ens permet definir una massa d'aigua costanera a través de 12 tipus d'aigua mensuals i les corresponents desviacions estàndard. Ens permet esbrinar respecte a la temperatura i la salinitat que es pot esperar trobar en els mesos més càlids i més freds o qualsevol altre moment en el temps, basades en les expectatives climatològiques. De fet, la majoria de la variabilitat aparent indicada per la dispersió de les dades de la figura 10.2 és el resultat de canvis del vent, la nuvolositat i les precipitacions a escala sinòptica, és a dir, associada al temps meteorològic. Aquestes variacions són també responsables de la major part de les desviacions estàndard de la figura 10.3, que principalment reflecteixen els canvis de les propietats dins d'un mes en particular.

Fins i tot quan el diagrama T-S temporal es basa en mitjes mensuals, la informació sobre desviacions estàndard no sempre està disponible. No obstant això, qualsevol diagrama T-S temporal raonablement ben definit és una eina valuosa per a un oceanògraf de la zona costanera. Mitjançant la combinació d'aquesta informació amb el coneixement de les preferències ambientals de les diverses formes de vida marina, un oceanògraf, l'administrador d'un parc marí o un enginyer de costes pot donar una descripció força acurada de l'entorn físic, la manera com varia al llarg de l'any i com afecta a l'ecosistema costaner. La tècnica podria estendre's per incloure diagrames de temps de la temperatura respecte la clorofil·la o qualsevol indicador biològic.

Un exemple: masses d'aigua de la llacuna de la Gran Barrera de Corall

La figura 10.4 mostra tres exemples de diagrames T-S temporals particularment ben definits, presos d'una revisió de l'oceanografia física de la Gran Barrera de Corall. Mostren que tres masses d'aigua estan presents en la llacuna. L'aigua del sud de la llacuna mostra poca variació de la salinitat a través de l'any i és molt similar a les aigües superficials que es troben al Mar de Corall adjacent. L'efecte de la poca profunditat de l'aigua es veu en un rang anual més gran de la temperatura, de prop de 20°C a l'hivern (juliol) a prop de 28°C a l'estiu (febrer), el mínim corresponent i el màxim de les temperatures al Mar del Corall, a 22°S són 22°C i 26°C. L'aigua central de la llacuna mostra una variació anual de la temperatura similar, però aproximadament 1.5 - 2°C de temperatura més alta, que es compara bastant bé amb l'augment general cap a l'equador de la temperatura de la superfície del mar del Corall éssent al voltant de 0.5°C per grau de latitud. De maig a desembre, la salinitat és aproximadament 0.6 menor que la de la regió del sud, un cop més, similar a la de les condicions del Mar del Corall i corresponent-se amb el descens cap a l'equador de la salinitat de la superfície de prop de 0.1 per grau de latitud. Durant els mesos d'estiu (gener - abril) l'aigua central de la llacuna es caracteritza per una salinitat molt baixa com a resultat de l'entrada d'aigua dolça dels rius. El nord d'Austràlia té un clima monsònic, la pluja forta a l'estiu porta grans quantitats d'aigua dolça a la llacuna.

El més gran dels rius del nord de Queensland (el Riu Burdekin) entra a la llacuna a la seva part central, que conté les boques dels rius més importants que els del sud o del nord (figura 10.5).

La regió del nord rep aproximadament la mateixa quantitat d'aigua dolça dels rius locals, com la regió del sud, però el seu diagram T-S temporal és molt diferent. El seu rang de temperatures és novament comparable amb el del Mar del Corall adjacent. La salinitat, d'altra banda, varia molt més que al sud. Les salinitats més baixes apareixen durant l'estiu, indicant la influència dels monsons. En contrast amb la regió central, on aquesta influència es manifesta com un augment molt fort de l'escolament local del riu durant un període de menys de dos mesos, a la regió nord és el resultat de l'escolament local i l'entrada d'aigua dolça dels rius de Nova Guinea Papua. El riu Fly porta al voltant de 100 vegades la quantitat d'aigua del riu Normanby, el més gran dels rius locals de la regió nord. Les seves aigües es barrejen amb les aigües del Mar de Corall abans d'arribar a la llacuna de la Gran Barrera de Corall. El seu efecte sobre la salinitat de l'aigua del nord de la llacuna és per tant menys pronunciat que l'efecte del riu Burdekin a la regió central, però es nota durant més mesos.

Les salinitats elevades a la regió nord durant la primavera i principi de l'estiu (setembre-gener) contrasten amb la disminució general cap l'equador de la salinitat de la superfície al Mar del Corall. Reflecteixen els alts nivells d'evaporació dels tròpics. En les regions costaneres l'evaporació s'intensifica a través de la influència de la terra seca i calenta; l'aire sobre l'oceà costaner està molt poc saturat d'humitat. Això pot induir un significatiu augment de la salinitat a l'oceà costaner durant l'estació seca del monsó.

Similars diagrames TS temporals es poden produir per a qualsevol part de l'oceà costaner. De fet poden ser una eina útil per l'anàlisi de la hidrografia de la capa superfícial a l'oceà obert, encara que la idea no sembla haver-se seguit gaire encara. Les bases de dades d'observacions existents s'estan tornant més i més acurades. En el context de l'oceanografia costanera val la pena assenyalar que molts mars de plataforma s'han estudiat en gran detall durant moltes dècades i la seva base de dades és adequada per a estimar desviacions estàndard sobre una base mensual. Les regions experimentant estratificació estival requereixen dos diagrames T-S temporals, un per a la capa superficial de mescla i un altra per la capa de sota.