ICM Logo Matthias Tomczak

Exemples d'estuaris i la seva classificació


En els darrers dos capítols vam introduir conceptes de classificació derivats dels principis físics de la dinàmica de fluids. Aquest capítol presenta observacions a partir d'estuaris reals per a diverses classificacions.

Estuaris de falca salina

Un exemple prominent (sense comparació) d'estuari de falca salina és el riu Mississippi. La seva grandària permet documentar detalls de l'estructura estuarina que serian difícils d'observar per a estuarais de mides molt similars. Amb un transport de 16.000 m3 s-1 el riu Mississippi és el tercer més gran de tots els rius del món (després del riu Amazones amb un transport de 175.000 m3 s-1 (o en unitats oceanogràfiques 0.175 Sv) i el riu Congo amb 38.000 m3 s-1) i el seu aport d'aigua dolça a l'oceà és comparable al transport de molts corrents.

Figura 13.1

La figura 13.1 és una secció al llarg de l'eix de l'estuari contenint l'interfície entre la capa superior i l'inferior. Els corrents observats mitjançant un correntímetre des d'un vaixell s'han superposat sobre el camp de salinitat observat. La separació entre el flux sortint a la capa superior i l'entrada d'aigua salada a la falca es veu clarament. Cal notar en particular el canvi de la direcció del corrent a la regió de barreja al llarg de l'interfície; això indica que l'aigua en ambdues capes entra a la regió de barreja i és transportada cap a l'oceà en la regió de mescla. L'augment lleuger de la velocitat a la capa superior per sobre de la falca salina és més el resultat d'una disminució de la fondària de l'aigua que un indicador de l'augment del transport a la capa.

El riu Mississippi és un exemple particularment bó d'un estuari amb falca salina, ja que la seva mida permet una observació detallada del camp de corrents inclús a l'estreta interfície entre la falca salina i la capa d'aigua dolça. En comparació, el flux de sortida del riu Amazones, el sistema estuarí més gran del món, és tan gran que distorsiona l'estructura de falca salina de forma significativa. El riu Amazones porta al voltant del 20 % de la descàrrega global dels rius de tot el món. La magnitud de la cizalla d'aquest flux de sortida d'aigua dolça garanteix que l'aigua salada no pugui penetrar la boca del riu, tot i que la influència de les marees oceàniques s'estén 735 km aigües amunt.

Figura 13.2

La interfície entre l'aigua dolça i l'aigua oceànica pren la forma d'una regió de barreja sobre la plataforma fora de l'estuari. La seva extrema amplada de 150 km (Figura 13.2) fa difícil reconèixer que el riu Amazones és un estuari de falca salina, encara que ho sigui d'acord amb el valor extrem de la relació R/V. El seu caràcter d'estuari amb falca salina es revela quan es considera la física de la seva circulació: l'aigua dolça es fica dins la regió de barreja des de la riba del riu, on tot el flux mitjà va cap a l'oceà; l'aigua salada entra a la regió de barreja des de l'oceà. Tota la barreja succeeix a la regió entre els dos costats, i el producte salobre de la barreja es mou cap amunt i cap a fora cap a l'oceà, on produeix un mar permanentment agitat ("bullint") que pot en coassions esdevenir perillós per a les petites embarcacions.

Figura 13.3

Els exemples de dos dels més gran rius del món no hauria de distreure'ns del fet que la classificació dels estuaris és independent del tamany i només està determinada a través del seu valor de R/V. Per demostrar-ho per a un cas d'estuari amb falca salina a la costa, la figura 13.3 mostra la salinitat en funció del temps d'una estació al South West Arm del Port Hacking, un petit estuari de la costa est d'Austràlia als suburbis del sud de Sidney. Aquest estuari es caracteritza per marees moderades. El braç del sudoest té només 3 km de llarg i rep una entrada d'aigua dolça d'una cala de 4 km de llarg. Durant els períodes de pluja intensa la platja està inundada i l'aigua flueix cap el braç del sudoest amb poca barreja de la marea. La distribució de salinitat llavors mostra una falca salina ben definida amb una fina zona de barreja per sota de la sortida de l'aigua dolça. La figura mostra el ràpid desenvolupament de la zona de barreja en cada període de pluja intensa.

Figura 13.4

Com un darrer exemple d'un estuari de falca salina considerem un estuari de mida intermèdia, poc profund i tropical. L'estuari Vellar a la costa est del sud de l'India té una llargada menor de 20 km, 300 m d'ample i a la part més somera té una fondària mitjana de 1.5 m. El rang de marees és de 0.7 m. La figura 13.4 mostra seccions de salinitat al llarg dels 5 km més a l'extrem durant un període de 3 setmanes. Abans de les observacions va haver una pluja intensa; la sortida del riu el 20 de gener encara va ser de 375 m3 s-1. L'estructura de la falca salina que existeix durant aquestes condicions es pot veure molt bé durant la baixamar, quan la capa superior és virtualment dolça mentre que l'aigua amb una salinitat en excés de 20 es troba sota una fina regió de barreja. En augmentar la marea la capa superior es empentada cap a enrera dins de l'estuari, causant una regió de barreja que esdevé més inclinada i d'alguna manera més ampla. Una setmana després l'aportació d'aigua dolça es redueix per sota de 100 m3 s-1, i la zona de barreja s'expandeix verticalment canviant l'estuari a un estat molt estratificat.

Figura 13.5

Cap al final del període d'observació la salinitat a la secció sencera canvia continuament entre la superfície i el fons; l'estuari es troba en transició cap a una situació lleugerament estratificada. Aquest canvis apareixen clarament en el diagram de classificació bidimensional que mostra com l'estuari del Vellar fa una transició successiva d'estuari amb falca salina - molt estratificat - lleugerament estratificat, a mesura que l'entrada d'aigua dolça disminueix (Figura 13.5). Això demostra que els estuaris poden canviar la seva classificació i que una descripció completa ha de contenir el rang sencer de condicions de l'aportació d'aigua dolça.

Estuaris molt estratificats

El riu Vellar ja proporciona un primer exemple d'un estuari molt estratificat durant períodes de disminució de l'aportació d'aigua dolça. Un altre grup important d'estuaris molt estratificats està representat pels fiords. La major part dels fiords reben aigua dolça dels rius només durant la primavera i l'estiu quan la neu fon i el gel entra a través de petits rius. La seva habitual gran fondària proporciona un reservori il·limitat a la capa inferior de salinitat oceànica.

La badia Silver a Canadà té 8 km de llargada, al voltant d'1 km d'amplada i en mitjana 80 m de fondària amb un rang de marea de 2 m, que dona una velocitat de marea al voltant de 0.02 m s-1. L'entrada d'aigua dolça durant el final de la primavera i l'estiu arriba a prop de 100 m3 s-1 però menys de 5 m3 s-1 durant l'hiver. L'entrada succeeix sobre un rang de fondàries de 5 - 30 m, amb poc moviment per sota d'aquesta fondària. La salinitat a la capa superior varia de zero a la capçalera fins 28 a la boca. Durant l'hiver la sortida presenta velocitats de 0.10 m s-1 o menys, ja que l'entrada d'aigua dolça es redueix bastant, però s'estén sobre un rang de fondàries més gran (al voltant de 30 m).

Figura 13.6

Una sitauació similar es veu al fiord Hardanger, que té una llargada de 100 km i una fondària de 850 m a Noruega. L'aportació d'aigua dolça varia des de 350 - 400 m3 s-1 a l'estiu fins a menys de 20 m3 s-1 al fnal de l'hiver. La figura 13.6 mostra el camp de salinitat per a ambdues estacions i mostra que durant l'estiu la capa superior té 50 m de gruix, mentre que l'entrada d'aigua oceànica s'estén en una capa inferior de 200 - 300 m, lleugerament per sota de la fondària del llindar del fiord al voltant de 150 m. La salinitat de la superfície varia de dolça a la capçalera fins 31 sobre el llindar. Una interfície abrupte existeix entre les dues capes. Durant l'hiver la interfície s'estén en fondària degut a la reducció de l'entrada d'aigua dolça a la capa superior, que dona més temps a la difussió turbulenta per a reduir el gradient de salinitat entre les capes. La salinitat de superfície és llavors quasi uniforme prop de 33.5, però el perfil vertical de salinitat encara mostra una capa inferior de salinitat uniforme característica d'un estuari molt estratificat.

La contribució de la temperatura a l'estabilitat de la columna d'aigua pot usualment ser negligida als estuaris. És cert que en aigües somes la temperatura pateix un canvi estacional més gran que la salinitat, però els gradients verticals de temperatura són rarament significatius i no controlen la dinàmica dels estuaris. El fiord de Hardanger pot servir d'exemple. La seva temperatura varia 4º C entre la superfície i el fons durant l'estiu. Aquest gradient de temperatura contribueix a l'estabilitat de columna d'aigua, però el seu efecte és menys del 10% de la contribució del gradient de salinitat. Durant l'hivern el fiord mostra una temperatura gairebé uniforme, l'estabilitat vertical continua essent controlada per la salinitat, tot i que el gradient de salinitat és molt reduït.

Els estuaris en altres zones climàtiques mostren un rang anual més ampli de temperatures, però una contribució similar molt baixa de la temperatura a l'estabilitat de la columna d'aigua. Les excepcions poden aparèixer quan un estuari s'utilitza per subministrar aigua de refrigeració per a una estació de potència i rep calor residual de la planta. En la majoria dels entorns naturals el camp de temperatura ambient és d'importància secundària per a la dinàmica de l'estuari.

Figura 13.7

L'extensió vertical de la circulació estuarina dels fiords està determinada per la profunditat del llindar. Com a conseqüència d'això, la intensificació de la circulació típica dels estuaris altament estratificats no arriba a les conques profundes. Per al fiord de Hardanger això es pot veure en el camp de salinitat (Figura 13.6) que mostra un màxim de salinitat intermèdia entre 200 a 300 m indicativa del flux oceànic. En aquest sentit els fiords són molt similars als mars mediterranis del tipus conca de dilució; poden arribar als mateixos nivells baixos d'oxigen o completament anòxics que s'observen al mars Negre i Bàltic. La figura 13.7 mostra l'oxigen a la conca més interna de Nordfjord, un sistema norueg de fiords que interconecten conques profundes, per un període de 24 anys. En aquest sistema, la renovació de les aigües profundes es produeix durant els períodes de gran aportació d'aigua dolça dels rius. La descàrrega del riu estimula la circulació i aporta grans quantitats d'aigua oceànica al fiord. Si aquesta aigua és més densa que l'aigua més antiga de l'estuari, part d'ella omple les conques profundes. La figura demostra que durant la majoria dels anys, l'efecte no és prou fort com per arribar a la conca de l'interior, on la renovació de l'aigua profunda es va produir només durant 1940-1942 i durant 1949-1951.

La possibilitat de l'esgotament de l'oxigen existeix en tots els estuaris amb llindars poc profunds i relativament feble barreja de les marees. El braç del sudoest de Port Hacking (Figura 13.3) és un exemple d'una situació diferent. Aquest estuari intermitent experimenta marees moderades, i la barreja per marees inhibeix l'esgotament de l'oxigen en els períodes de poc o cap vessament d'aigua dolça. L'augment de l'estabilitat de la columna d'aigua durant els períodes en què es converteix en un estuari molt estratificat redueix la circulació per sota de la profunditat del llindar i pot conduir a l'exhauriment de l'oxigen.

Estuaris poc estratificats

Figura 13.8

Exemples d'estuaris poc estratificats són abundants a la literatura. La badia de Chesapeake a la costa atlàntica dels EUA està particularment ben documentada. Nutrit pel riu Susquehanna, té una llargada de més de 300 km, conté diversos sub-estuaris amb el seu propi subministrament d'aigua dolça. La figura 13.8 mostra seccions de salinitat al llarg de l'eix principal de la badia. Es manifesta clarament la principal característica de l'estuari poc estratificat, la salinitat varia al llarg de l'estuari a qualsevol profunditat: a 15 m de fondària, la salinitat augmenta de 15 a 18 sobre una distància d'uns 35 km. A la superfície la salinitat varia de 12 a 17 sobre la mateixa distància.

Figura 13.9

Un altre estuari poc estratificat que ha estat estudiat durant molts anys és el riu Mersey, al nord d'Anglaterra. El riu s'eixample, prop de la ciutat de Liverpool, però es connecta amb el Mar d'Irlanda a través d'un estret passatge de 8 km de longitud i 1 a 2 km d'amplada conegut com el Mersey Narrows. La figura 13.9 mostra la salinitat a l'Estret amb la marea alta i baixa. El mar d'Irlanda té marees importants, i l'amplitud de la marea al Mersey Narrows de 20 m de profunditat supera els 5 metres i arriba fins a 9.4 m durant les marees vives. La descàrrega mitjana del riu és de 25 m 3s-1, petita en comparació al volum mareal de més de 200 m3s -1. Com a resultat, el cos d'aigua de l'estuari entra i surt amb la marea diversos quilòmetres de distància, i no hi ha coincidència entre el rang de salinitat observat durant la marea alta i el rang de salinitat durant la marea baixa. Les isohalines estan inclinades des de la superfície fins al fons, com és típic en un estuari lleugerament estratificat.

Estuaris verticalment barrejats

L'estuari verticalment barrejat en la seva forma pura es troba rarament a la natura, però nombrosos estuaris poden acostar-se a l'estat verticalment barrejat en condicions de valors baixos de R/V durant la marea de primavera, o - més freqüentment - en períodes de descàrrega del riu molt baixa. Una amplitud de marea molt gran es requereix per produir condicions verticalment barrejades si l'estuari rep aportació significativa d'aigua dolça. La Badia de Fundy, amb el seu enorme rang de marees, de 14 m, és un exemple d'aquesta situació (Figura 12.3).

Figura 13.10

Un exemple a una escala molt més petita és el riu Myall a Nova Gal·les del Sud, Austràlia. El riu Myall és un petit riu amb una àrea de captació molt petita. Abans de descarregar el seu petit curs d'aigua cap al mar, el riu forma un sistema de llacs. Des dels llacs a l'oceà segueix un canal poc profund i molt estret d'uns 20 km de longitud. La profunditat mitja d'aquesta part del riu és entre 2 i 4 m, i la seva amplada és inferior a 100 m. La desembocadura del riu es troba en una badia oceànica, que modera l'impacte de les marees sobre el riu, però la barreja de les marees al canal poc profund, i estret, és bastant vigorosa a mesura que l'aigua es mou dins i fora del llac com si fós un pistó, i el petit vessament del riu és insignificant en comparació amb el volum del corrent. La figura 13.10 mostra una secció de salinitat al llarg de la part del canal on es produeix la barreja. Pràcticament no hi ha gradient de salinitat vertical a la zona de barreja de l'estret.

Estuaris inversos

Figura 13.11

Els estuaris inversos són una característica dels climes càlids i àrids. S'inclouen les regions superficials amb una gran superfície, com ara bé les llacunes hipersalines, i també els golfs de profunditat i extensió significativa. Els golfs del sud d'Austràlia són exemples típics. Austràlia del Sud té un clima "mediterrani" amb hiverns suaus i humits, però estius calorosos i secs. Els golfs estan envoltats per terra de tipus desèrtic, on tots els rierols i els rius s'assequen durant l'estiu. L'evaporació es converteix en un factor dominant en el balanç de sal dels golfs, i la salinitat augmenta des de la boca fins a la capçalera. La figura 13.11 mostra la distribució de la salinitat al golf de Spencer. Es veu que en la part més ampla del sud del golf de Whyalla i Port Pirie la circulació es veu modificada per la força de Coriolis, que desvia els corrents a l'esquerra a l'hemisferi sud. L'entrada d'aigua oceànica per tant es produeix preferentment al costat occidental del golf, mentre que el flux de sortida de l'aigua salada (que és el més fort en profunditat) es reflecteix en unes salinitats més altes al costat oriental.

L'exemple del golf de Spencer com a estuari invers completa la revisió de totes les classificacions "clàssiquess" dels estuaris. Alguns estuaris no encaixen en cap d'aquestes classes, però poden ser vistos com híbrids entre més d'una classificació. L'estuari intermitent ja va ser tractat com a tal en el Capítol 11, el braç sudoest de Port de Hacking és un exemple (Figura 13.3). L'estuari amb tap salí és un altre estuari de tipus híbrid.

Estuaris amb tap salí

Figura 13.12

L'estuari amb tap salí ja es va presentar i discutir breument en el Capítol 11. El riu Alligator al Territori Nord d'Austràlia és un exemple. La figura 13.12 mostra la seva hidrografia en un diagrama de temperatura i salinitat. L'estuari és un exemple d'una situació on l'estratificació de la temperatura és important per a l'estabilitat de la columna d'aigua: el Golf de Van Diemen és un estuari invers amb salinitat verticalment uniforme. El seu feble gradient vertical de densitat s'estableix per un escalfament dels primers metres de la columna d'aigua.

Sub-estuaris

Alguns grans estuaris es poden dividir raonablement en diferents parts, sobretot aquelles conectades per braços llargs i estrets des de l'estuari principal que tenen el seu propi subministrament d'aigua dolça. En particular si una part d'un sistema estuarí pot identificar-se o descriure's com un sistema d'estuari propi s'anomena sub-estuari. La principal diferència entre un estuari pròpiament dit i un sub-estuari es troba en les condicions de la boca de l'estuari. Un estuari de veritat està connectat amb l'oceà, la seva salinitat per tant, sempre arriba a valors oceànics a la boca, i allà no hi ha un gradient de salinitat vertical de certa importància. Un sub-estuari connecta amb l'estuari principal (pare), on la salinitat pot (i la majoria ho fa) variar significativament amb la profunditat. Això produeix patrons de circulació únics. El port de Baltimore, un sub-estuari de la Badia de Chesapeake, n'és un exemple (Figura 13.13).

Figura 13.13

El port de Baltimore té uns 15 km de llarg. La salinitat a la seva desembocadura mostra l'estructura vertical de la salinitat de la Badia de Chesapeake en el punt on es connecta amb el seu estuari pare. EL sub-estuari no té cap entrada d'aigua dolça d'importància, però està exposat al flux d'entrada i sortida de les marees. En un estuari pròpiament dit, això es traduiria en un estuari lleugerament estratificat o fins i tot barrejat verticalment, però al sub-estuari la circulació és molt diferent: l'estratificació de la salinitat que hi ha a la boca s'erosiona gradualment per la barreja de les marees, i molt poca estratificació es troba a l'extrem interior del sub-estuari. La distribució de la densitat resultant estableix un gradient de pressió (d'alta densitat a baixa densitat) que està dirigit cap a dins a la part superior i a la part inferior, mentre que no experimenta un gradient de densitat horitzontal per a fondàries mitjanes. Això força l'entrada d'aigua des de l'estuari pare a la part superior i a la part inferior. Un flux de compensació de sortida s'ha de produir a fondàries mitjanes. El port de Baltimore mostra un sistema de circulació en tres capes.

Un altre sub-estuari mostra variacions d'aquest esquema, amb la circulació de tres capes, de vegades només en la part externa del sub-estuari. Les possibles variants són moltes, però totes estan determinades per les condicions que es troben en la unió entre el sub-estuari i el seu estuari pare.