Estudio de la Dinámica Hidro – Sedimentológica del Río de La Plata: Observación y Modelación Numérica de los Sedimentos Finos. PROYECTO FREPLATA RLA 99/G31. Parte 2

Objetivos del Proyecto

El principal objetivo fue contribuir a mejorar el conocimiento de la dinámica hidrosedimentológica en el Río de la Plata, en base a una combinación de modelado numérico y obtención de datos. Las tareas de observación iniciadas en 2009 constituyeron un enorme y costoso esfuerzo, que involucró la instalación de dos estaciones fijas, de una boya oceanográfica, de siete campañas oceanográficas específicas, la adquisición y calibración de imágenes satelitales diarias de material en suspensión y clorofila-a de alta resolución y experimentos de laboratorio. Este plan fue acompañado por la capacitación de recursos humanos, incorporando al proyecto jóvenes recién graduados -mediante el dictado de cursos en la Universidad de Buenos Aires por reconocidos especialistas franceses. Esta capacitación fue dirigida a resolver el problema de la escasez de recursos humanos formados en la temática y a la instalación de capacidades científico-técnicas al nivel del estado del arte en la región. Se realizaron, además, tareas de modelado numérico, incluyendo la instalación del modelo hidro-sedimentológico MARS-3D (Model for Applications at Regional Scale o Modelo para Aplicaciones a Escala Regional) de IFREMER en el CIMA, el INA y el IMFIA.

CARACTERÍSTICAS GENERALES DEL RÍO DE LA PLATA Y ANTECEDENTES

Batimetría

El Río de la Plata tiene una geometría y batimetría complejas (Figura 10). Sobre la base de la morfología y de lo que se conoce o se ha inferido de su dinámica, el sistema ha sido dividido clásicamente en dos regiones, separadas por la Barra del Indio, una barra sumergida de forma convexa y con profundidades de 6,5 a 7 m, que cruza el Río entre Punta Piedras y Montevideo. La región superior está ocupada mayormente por agua dulce y está caracterizada por bancos someros con profundidades de entre 1 y 4 m (Playa Honda y Banco Ortiz), que se encuentran separados de las costas por canales más profundos, con profundidades que varían entre los 5 y los 8 m (canales Norte, Oriental e Intermedio). Al este de la Barra, el Canal Marítimo, una depresión ancha con profundidades de 12 a 14 m al norte y 20 m al sur, separa la Bahía Samborombón (al oeste) de una región de bancos conocida como Alto Marítimo (al este). El Alto Marítimo está formado por los bancos Arquímedes e Inglés, con profundidades de entre 6 y 8 m, y el Banco Rouen, con una profundidad de 10 a 12 m. Al norte de estos bancos, el Canal Oriental, el más profundo del sistema, con profundidades de hasta 25 m, se extiende a lo largo de la costa uruguaya.

Descarga continental

El agua dulce del Río de la Plata proviene de varios tributarios, siendo los dos más importantes los ríos Paraná y Uruguay, con descargas medias históricas de 16.000 y 6.000 m3 s-1 lo que pone a este sistema fluvio-marino en 5° y 4° lugar en el mundo en descarga fluvial y área de drenaje, respectivamente. El río Paraná confluye al Río de la Plata formando un gran delta; sus dos brazos principales son el Paraná Guazú, que transporta aproximadamente el 77% de la descarga, y el Paraná de las Palmas, que transporta el 23% restante (Figura 10). El transporte de los tributarios menores es varios órdenes de magnitud inferior y aporta solamente a la dinámica local, por lo tanto, la descarga continental media puede ser evaluado como el resultado del transporte de los dos tributarios mayores. El río Paraná muestra una marcada estacionalidad, con descarga máxima en marzo/abril y mínima en septiembre. La estacionalidad del río Uruguay es menos importante, mostrando dos máximos, en octubre y entre mayo y julio, y un mínimo en enero. El régimen de flujo mostró gran variabilidad inter-anual durante el último siglo. Se observó gran variabilidad inter-decádica, con un ciclo de descarga normal entre 1931 y 1943, un período seco en 1944-1970 y un período húmedo que comenzó en 1971. La descarga muestra una componente cuasi-decádica y picos de variabilidad inter-anual en las escalas temporales asociadas al fenómeno de El Niño-Oscilación del Sur (ENOS). La componente cuasi-decádica, en la cual se asocia una alta descarga con temperaturas superficiales del mar anómalamente frías sobre el Atlántico Norte tropical es más marcada en el Paraná. En cambio, la variabilidad en las escalas del ENOS (con picos en bandas centradas a aproximadamente 2,5 y 3,5 años) es más pronunciada en el río Uruguay, con El Niño (La Niña) asociado con mayor (menor) descarga. Adicionalmente, otro pico de variabilidad, centrado en 6,5 años, fue registrado para este río, relacionado con un patrón de grandes anomalías de la temperatura superficial del mar sobre el Pacífico y el Atlántico tropical. Picos tan grandes como 80.000 m3 s-1 y tan bajos como 8.000 m3 s-1 se
han registrado en asociación con los ciclos mencionados.

Marea astronómica

El Río de la Plata es un sistema micromareal, es decir, la marea presenta amplitudes bajas, generalmente menores a 1 m. Las ondas de marea alcanzan la plataforma continental mientras se propagan de sur a norte. A medida que avanzan a lo largo de la plataforma, las condiciones geográficas modifican la propagación, de modo que la energía ingresa al Río principalmente por el sudoeste; la onda se propaga por el Río de la Plata como una onda libre (de Kelvin) forzada en su boca. La baja profundidad acorta la longitud de onda después de que la marea ingresa al sistema; debido a este efecto y a la considerable longitud del Río de la Plata, las componentes semidiurnas tienen la inusual característica de presentar casi una longitud de onda completa dentro del Río todo el tiempo (Figura 11). Las amplitudes de marea generalmente no se amplifican hacia la parte superior. El Río de la Plata es largo y converge sólo en su parte más interna, donde es extremadamente somero y la fricción juega un rol fundamental en el control de la amplitud de la onda. Como consecuencia de la fricción, la amplitud de la marea decae en la costa uruguaya comparada con la costa argentina. El régimen de marea es mixto, dominantemente semidiurno, siendo la componente lunar semidiurna principal (M2) la más significativa. Las máximas velocidades de las corrientes de marea ocurren en los límites norte y sur de la Bahía Samborombón (Punta Piedras y Punta Rasa), mientras que en el interior sus valores son mucho menores.

Vientos

El viento es el principal forzante de la circulación en el Río de la Plata, particularmente en su parte exterior y afecta la dinámica en todas las escalas. La circulación general de la atmósfera en la región del Río de la Plata está controlada por la influencia del sistema de alta presión semi-permanente del Atlántico Sur. La circulación antihoraria asociada a este centro advecta aire cálido y húmedo de regiones subtropicales sobre el Río. Por otro lado, sistemas atmosféricos fríos que viajan desde el sur traen masas de aire frío sobre la región con una periodicidad dominante de alrededor de 4 días. El pasaje de esos frentes fríos se asocia en ocasiones con tormentas convectivas que se conocen como “Pamperos”. Como resultado de estas características, la circulación en la región está dominada por una alternancia de los vientos del noreste al sudoeste en una escala de pocos días (Figura 12). En escala intra-estacional, los vientos son modulados por un patrón alternante de variabilidad que se asocia con variabilidad de la precipitación y cambios de los vientos de superficie del noreste al sudoeste. Adicionalmente, el Río de la Plata está localizado en una de las regiones más ciclogenéticas del mundo, como consecuencia de ondas que se mueven a lo largo de latitudes subtropicales del Pacífico Sur y América del Sur, con máxima variabilidad en períodos de 10 a 12 días. Estas ondas interactúan con las masas de aire subtropical sobre el noreste de Argentina, Uruguay y el sur de Brasil. Se observan aproximadamente ocho ciclones por año, con mayor frecuencia en verano. Cuando los mismos se desarrollan sobre Uruguay, pueden originar vientos muy intensos del sudeste, con velocidades que fácilmente exceden los 15 m s-1. Estas tormentas, conocidas como “Sudestadas” producen inundaciones en el Río de la Plata Superior y tienen una frecuencia de ocurrencia de 2 a 3 eventos por año.

Circulación

Circulación barotrópica o media vertical

La componente barotrópica (o media vertical) del flujo es muy importante dado que domina la variabilidad de la elevación del nivel del mar y determina el transporte neto de masa. Para el Río de la Plata, ésta ha sido estudiada mediante simulaciones numéricas y observaciones directas de corrientes. La componente submareal (en períodos mayores que el de la marea) del flujo (ver Figura 13) está fuertemente influenciada por la geometría y la batimetría, la rotación de la Tierra y, particularmente, los vientos. En el Río de la Plata superior, después de la descarga, el flujo se concentra a lo largo de los canales profundos Norte e Intermedio.

A medida que la pluma de agua dulce alcanza la parte central del Río, la rotación de la Tierra (efecto de Coriolis) se comienza a sentir y el transporte se concentra por el norte. Aunque los bancos Arquímedes e Inglés dividen el flujo en dos ramas, en la parte exterior del Río de la Plata en ausencia de vientos (panel izquierdo de la Figura 13), ellas se encuentran nuevamente. Independientemente de que el transporte se incremente (reduzca) bajo condiciones de descarga alta (baja), los patrones descriptos se preservan.

Los patrones de circulación en respuesta al viento parecen estar más determinados por la dirección del viento que por su intensidad y se desarrollan rápidamente, en una escala de entre 3 y 9 horas. Tanto las observaciones como los modelos indican que la circulación barotrópica forzada por el viento en el Río de la Plata puede explicarse en términos de dos modos. El primero ( estructuras espaciales características) de circulación asociadas a vientos ya sea con una componente dominante a través del eje del canal o a lo largo del mismo. De esta manera, la circulación del Río de la Plata puede esquematizarse en forma de cuatro patrones asociados a cada una de las fases (positiva y negativa) de los modos (ver Figura 14). Los patrones correspondientes al primer modo (paneles b y c de la Figura 14) están relacionados con un ingreso/egreso de agua en la parte exterior del sistema y explica la señal estacional observada en, por ejemplo, el campo de salinidad (Figura 3). El segundo modo (paneles a y d de la Figura 14) domina cuando el viento sopla a lo largo del eje del Río, es decir, del sudeste al noroeste y tiene un patrón muy distintivo de incremento o reducción significativos de la elevación del nivel en el Río de la Plata Superior, respectivamente. Este modo explica dos situaciones extremas que tienen importantes implicancias sociales: la “Sudestada”, causante de inundaciones, y los vientos persistentes del noroeste, que producen niveles bajos, que en ocasiones, colapsan el abastecimiento de agua potable a la ciudad de Buenos Aires. Las escalas de variabilidad de la circulación barotrópica forzada por el viento fueron estudiadas mediante modelos numéricos. La variabilidad inter-anual explica el 10% de la varianza. Estos modos son importantes, especialmente si actúan en fase, ya que proporcionan un background para ondas de tormenta más severas. En contraste con los campos de temperatura y salinidad, la variabilidad de la elevación del mar en escala estacional explica un porcentaje muy bajo de la varianza y es la combinación de una señal anual y una semi-anual forzadas por el calentamiento radiativo, los vientos y la descarga continental. Aproximadamente el 90% de la varianza en la circulación barotrópica es debida a la variabilidad del viento en escala sub-anual. Las anomalías de la elevación del mar más significativas están asociadas con eventos ciclogenéticos en la atmósfera que ocurren sobre Uruguay o la Plataforma Patagónica, mientras que el debilitamiento o intensificación del anticiclón del Atlántico Sur juega un rol menor.

La circulación baroclínica (o variable en la vertical) y sus efectos en la estructura de densidad

El estudio de la circulación baroclínica en el Río de la Plata, ha estado limitado por la falta de observaciones directas, por largo tiempo. En el marco del proyecto FREPLATA se midieron perfiles verticales de corrientes ADCP (Acoustic Doppler Current Profiler o Perfilador Acústico Doppler de Corrientes) en dos sitios del Río de la Plata. Los datos obtenidos, junto con perfiles de salinidad colectados en y alrededor de los mismos sitios fueron analizados, proporcionando el primer cuadro del flujo baroclínico en el área frontal del Río de la Plata. Los resultados indican que, aunque se pensaba que las mareas dominan la dinámica del sistema, las mismas sólo explican el 25% de la varianza en la zona frontal. El otro 75% de la energía está relacionada con ondas internas en frecuencias de marea (25%, al menos en verano) y corrientes tridimensionales forzadas por el viento (50%).

Corrientes baroclínicas forzadas por el viento y su impacto en la estructura de densidad

Debido a la baja profundidad del Río de la Plata, las corrientes en la parte estratificada responden rápidamente a los cambios en el viento en todos los niveles, con un tiempo de respuesta de entre 3 y 9 horas. La estructura vertical de las corrientes depende fuertemente de la dirección de los vientos y puede explicarse en términos de dos modos (o dos patrones de corrientes en la vertical), cuya estructura de correlación con el viento es similar a la encontrada para la componente promediada verticalmente. Las corrientes decaen verticalmente para vientos con una componente dominante perpendicular al eje del Río, y muestran una inversión en su dirección entre los niveles superiores e inferiores para vientos con una componente dominante paralela al eje del Río (panel izquierdo de la Figura 15). Esta característica es consecuencia de la geometría y batimetría de este sistema fluvio marino. Para vientos con una componente dominante perpendicular al eje del Río, el flujo no está inhibido por la batimetría. En cambio, para vientos con una componente dominante paralela al eje, la presencia de la costa en el Río de la Plata Interior exige una compensación del ingreso (egreso) de agua en las capas superiores por un egreso (ingreso) de agua en las inferiores, dando lugar al patrón de inversión observado en las corrientes.

La ocurrencia de diferentes estructuras verticales de la corriente para diferentes direcciones del viento tiene implicancias en la estructura vertical de densidad que, consistentemente, se pueden advertir en perfiles observados in situ de la salinidad así como en soluciones numéricas con modelos baroclínicos. Vientos del noreste (sudoeste) producen un cambio en el campo de salinidad consistente con una extensión hacia la costa sur (norte) del frente de superficie y un incremento de la estratificación a lo largo de dicha costa. Cuando el viento sopla paralelo al eje del Río, la ocurrencia de una inversión en la dirección de la corriente entre las capas inferior y superior, incrementa o debilita la estructura vertical de salinidad. El debilitamiento, y eventualmente quiebre de la estratificación ocurre más favorablemente como consecuencia de vientos intensos y/o persistentes del sector sudeste. Como la alternancia de los vientos de nordestes a sudoestes es la característica dominante de la variabilidad del viento de superficie en escalas sinóptica a intra-estacional en la región, los vientos son en general favorables al mantenimiento de una cuña salina en el Río de la Plata. Aunque los vientos del noroeste normalmente no son ni intensos ni persistentes en la región, su efecto es también la intensificación de la estratificación. Más aún, los sudestes intensos que pueden destruir la estructura vertical no son frecuentes, sino que ocurren unas pocas veces al año en relación con eventos ciclogenéticos (Sudestadas). PPor lo tanto, la combinación de la geometría del Río de la Plata y la variabilidad prevaleciente de los vientos hace que el sistema sea en si mismo eficiente en mantener la estructura de cuña salina. El hecho de que la estratificación esté altamente afectada por la variabilidad de escala corta del viento indica que el ciclo estacional puede explicarse no como el resultado de los vientos medios durante cada estación, sino como una consecuencia de que el verano (invierno) está caracterizado por una mayor frecuencia de vientos del noreste (sudoeste). En realidad, las condiciones clásicamente definidas como características de verano o invierno (Figura 3) pueden ocurrir durante cualquier época del año con alta variabilidad. Para ilustrar este hecho, la Figura 16 muestra composiciones (o promedios) de observaciones históricas CTD (conductividad y temperatura en función de la presión) de salinidad para diferentes direcciones del viento. En ella se promediaron observaciones de cruceros con una distribución modal del viento dentro de 10 días de los sectores noreste, sudeste, sudoeste y noroeste. Los cuadros internos representan las distribuciones modales del viento, de la estación meteorológica de Pontón Recalada, para cada composición. Nótese que las principales características del frente de salinidad dependen más del viento local que de la estación en la cual se obtuvieron los datos.

La circulación gravitacional

Una cuestión remanente es si la circulación gravitacional ocurre o no en el Río de la Plata. Las observaciones ADCP muestran que las medias temporales cambian de uno a otro período observado, son muy pequeñas y sus desvíos estándar las exceden entre 5 y 10 veces. El análisis de las observaciones no ha sido hasta el momento capaz de extraer una señal significativa que ocurra para todas las direcciones del viento. Evidentemente, la circulación gravitacional es muy pequeña en comparación con la señal dominada por el viento y la marea que ocurre en este sistema. Por lo tanto, sería necesario disponer de un período de observaciones muy largo para filtrar la variabilidad en escalas estacional, intraestacional y sinóptica forzada por el viento para discriminar apropiadamente la circulación gravitacional.

Plumas de los tributarios o corredores de flujo

El camino de las plumas de los principales tributarios del Río de la Plata a lo largo del Río Superior y Medio ha sido estudiado mediante simulaciones numéricas. Aunque existen discrepancias menores entre los resultados de las diferentes simulaciones y su interpretación, hay consenso respecto de que para condiciones de descarga media las aguas de los tributarios mayores del Río de la Plata fluyen formando tres plumas (o corredores de flujo) principales. Las aguas de los ríos Uruguay y Paraná Guazú-Sauce-Bravo ocupan principalmente la costa norte (uruguaya) y la parte central del canal con alguna mezcla menor entre ellas, mientras que las aguas del Paraná de las Palmas fluyen a lo largo de la costa sur (argentina). La ocurrencia y el patrón de las plumas o corredores están controlados por la descarga, la geometría y la batimetría del Río de la Plata. De este modo, la costa uruguaya está mayormente afectada por aguas del Río Uruguay y la costa argentina, por aguas del Paraná de las Palmas. Aunque este esquema de flujo ha sido derivado de simulaciones numéricas, es consistente con lo que puede inferirse de la conductividad, de la distribución de sedimentos de fondo y de imágenes satelitales de color.