Explican cuáles son los mecanismos que forman la anatomía de grandes corrientes submarinas

Imágenes generadas por computadora de la anatomía de corrientes de turbidez. Gentileza Salinas et al. Imágenes generadas por computadora de la anatomía de corrientes de turbidez. Gentileza Salinas et al.

Las simulaciones computacionales ya ayudan a los seres humanos a planificar viajes a Marte, probar el diseño de aviones y hasta conocer cómo se comunican las neuronas. Ahora, en un artículo publicado en Nature Communications, se reporta por primera vez qué mecanismos moldean la “anatomía” de grandes corrientes submarinas que juegan un rol clave en el transporte oceánico de carbono, nutrientes y agua dulce.

Fecha de publicación: 12/03/2021

Con la ayuda de simulaciones computacionales, científicos de Argentina y los Estados Unidos describieron mecanismos que develan la “anatomía” de un tipo de corrientes submarinas: las “corrientes de turbidez”. Se trata de grandes flujos de agua y partículas que se originan a partir de distintos fenómenos, como las avalanchas submarinas, y que viajan a una velocidad de hasta 50 kilómetros por hora en distancias de hasta mil kilómetros. Las “primas” de estas corrientes de turbidez en la cordillera patagónica son las avalanchas de nieve.

Las corrientes de turbidez transportan grandes cantidades de carbono, nutrientes y agua dulce a través de los océanos. Y juegan un rol importante en el ciclo geoquímico global y en el ecosistema del suelo marino, señalan los científicos en un artículo recién publicado en la prestigiosa revista Nature Communications. En el paper también se señala la asociación de este tipo de fenómenos con la formación de depósitos de material orgánico y, luego de tiempos geológicos, de petróleo y gas.

En el artículo, a partir de su trabajo de simulaciones numéricas, los científicos proponen una estructura de tres capas para este tipo de corriente de turbidez. Si se las pudiera ver de manera directa, se verían como una especie de grandes “ríos” submarinos, como el río Negro o el río Paraná, cargados con material en suspensión. Viajan por las pendientes del fondo oceánico hasta finalmente detenerse depositando todo el sedimento que transportan. A su vez, son un agente de erosión y, por lo tanto, contribuyen a formar nuevas geografías oceánicas como canales y cañones submarinos.

Corriente de turbidez Gentileza Salinas et al

Imagen generada por computadora de un tipo de estructura de turbulencia, llamada "vórtices de tipo herradura". Crédito Gentileza Salinas et al.

“A pesar de que uno podría pensar que estas corrientes son homogéneas, en realidad tienen una estructura interna muy particular que es lo que permite que existan y persistan. Tres capas conforman esta estructura: una inferior, turbulenta encargada del transporte del material; una intermedia responsable de aniquilar la turbulencia; y una superior que actúa como una ‘tapa’ del flujo evitando que este se disipe y así pueda recorrer cientos de kilómetros”, explica Mariano Cantero, uno de los autores del artículo.

“La estructura de tres capas y su funcionalidad es lo que posibilita que el flujo exista y pueda viajar cientos de kilómetros. Sin la existencia de la capa superior el flujo se disiparía muy rápidamente. Y esa capa superior se genera por la existencia de la capa intermedia con generación negativa de turbulencia”, agrega Cantero, que es ingeniero nuclear y doctor en ingeniería, y actualmente director del Instituto Balseiro.

“En nuestro trabajo demostramos la existencia de mecanismos de producción negativa de turbulencia y fenómenos de transferencia inversa de turbulencia; como si el calor fluyera de las temperaturas frías a las calientes, o como si la fricción causara frío en lugar de calor”, detalla Cantero, que es profesor del Instituto Balseiro e investigador de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA) y del Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas (CONICET) en el Centro Atómico Bariloche. Con su grupo, lleva trabajando en el campo de la dinámica de fluidos hace casi 20 años.

En la investigación participan científicos y tecnólogos especializados en investigar la dinámica de fluidos. Son investigadores del Instituto Balseiro (dependiente de la Universidad Nacional de Cuyo y la CNEA), del CONICET y la CNEA del Centro Atómico Bariloche, y de la Universidad de Florida. En el equipo colaboran asimismo investigadores de la empresa ExxonMobil Upstream Research Company.

M Cantero y S Zúñiga Crédito foto Gentileza prensa

Mariano Cantero (izq). y Santiago Zúñiga, dos de los autores del artículo. Crédito Gentileza.

¿Cómo se originan las corrientes de turbidez? “Al ocurrir una avalancha submarina, una descarga desde la desembocadura de un río, o como consecuencia de fuerte oleaje durante una tormenta, su puede suspender mucho sedimento en el agua y disparar una de estas corrientes”, explica Jorge Salinas, integrante del equipo de investigación y que está realizando un posdoctorado en el grupo de multi-física computacional del departamento de Ingeniería Mecánica y Aeroespacial en la Universidad de Florida.

“Las corrientes subcríticas que nosotros estudiamos presentan esa capa o interfaz sin turbulencia, denominada ‘lutoclina’, que aísla o protege a la corriente del entorno permitiéndole fluir sin disiparse”, detalla Salinas, que tuvo como director de tesis de Maestría en Ingeniería y luego de Doctorado a Mariano Cantero en el Balseiro.

Así, el mecanismo por el cual la capa intermedia de la corriente de turbidez impide que las estructuras turbulentas de la capa inferior penetren en la capa de interfaz se explica a través de “la transferencia de la energía de la turbulencia al flujo medio”. En otras palabras, la capa intermedia “destruye” la turbulencia y devuelve su energía a la capa cercana al suelo submarino para incrementar su velocidad.

“Los autores en este trabajo muestran cómo la turbulencia puede explicar la formación de dos regiones en un flujo que arrastra sedimentos, una más profunda de aguas turbias, y otra por encima de aguas claras, que se mezclan muy poco entre sí (…) El trabajo es muy interesante, genera nuevas preguntas sobre cuánto sabemos de la turbulencia, y brinda respuestas sobre fenómenos que son muy importantes para las ciencias ambientales”, dijo Pablo Minnini, profesor en el Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA e Investigador del CONICET.

“Usualmente asociamos la turbulencia al desorden y a la mezcla: revolvemos una taza de café para mezclar más rápido la leche, o disolver más rápido el azúcar. O notamos que el avión se sacude al atravesar una región turbulenta. Pero la turbulencia también puede generar orden, y esta ambivalencia entre el orden y el desorden la vuelve un problema muy difícil de estudiar, pero al mismo tiempo que tiene aplicaciones importantes. En este caso, los autores muestran que la turbulencia puede generar una región delgada que separa la región con sedimentos de las aguas más claras”, destacó Minnini, que no participó en esta investigación.

Minnini, que es un referente nacional e internacional en el campo de la dinámica de fluidos y turbulencias, agregó: “Y, aún más interesante para mi gusto porque se contrapone a la noción habitual de desorden, en esa región de separación la turbulencia se transforma espontáneamente, alimentando con su energía a un flujo ordenado”.

El foco en la turbulencia

Ahora bien, ¿a qué se le llama en concreto “flujos turbulentos”? Cuando un fluido se mueve a alta velocidad desarrolla un movimiento desordenado que se llama turbulencia. “Un ejemplo es la turbulencia que se siente viajando en avión: el flujo de aire alrededor del avión tiene una determinada velocidad media, pero las pequeñas perturbaciones de la media es lo que sentimos cuando hay turbulencia”, graficó Salinas. Otro ejemplo del rol clave de la turbulencia es la refrigeración con agua de los reactores nucleares, agregó.

“Los flujos turbulentos pueden describirse separándolos en dos partes inter-conectadas: el flujo medio, obtenido por ejemplo luego de promediar los perfiles de velocidad y, las perturbaciones relativas al flujo medio. Estas perturbaciones son las pequeñas desviaciones que le da la característica caótica a la turbulencia a expensas de consumir la energía del flujo medio”, explica Salinas.

Sin embargo, en el caso de la capa intermedia de las corrientes de turbidez que reportan en el citado artículo de Nature Communications ocurre lo contrario: en la capa intermedia la energía de la turbulencia (esas pequeñas perturbaciones) es transferida a la velocidad promedio. Eso previene que la turbulencia se difunda hacia arriba y la corriente crezca en altura.

“La existencia de esta capa intermedia y los mecanismos con los que destruye la turbulencia del fondo resultan muy contraintuitivos para los que trabajamos en el tema, es como si les dijera que una bolita rueda hacia arriba en una pendiente, es completamente al revés de lo que conocemos. El entendimiento de estos mecanismos es uno de los grandes aportes del trabajo que publicamos”, cuenta, por su parte, Santiago Zúñiga, estudiante doctoral del Balseiro que también integra el equipo (Ver entrevista de "Papers en primera persona", en este link).

Cantero explica que la turbulencia ayuda a que el sedimento quede suspendido en el agua. A su vez, el exceso de densidad –la relación entre la masa y el volumen de un objeto– de este tipo de corriente submarina, más alta en comparación con el agua ambiente, genera el movimiento de la corriente.

¿Por qué ocurre eso? “Se trata de ese fenómeno llamado ‘producción negativa de turbulencia’. Se conoce desde hace muchas décadas y aparece en diferentes circunstancias. Lo particular de nuestro caso es que este fenómeno persiste en el tiempo en una región fija, la capa intermedia, lo cual le da al flujo características provenientes de la producción negativa de turbulencia, que no se ven en otros casos donde el fenómeno aparece en un instante dado de tiempo y luego desaparece”, agrega Salinas.

El mecanismo sobre cómo se mueven las corrientes de turbidez ha sido uno de los grandes interrogantes en el campo de la geofísica. “Nuestras simulaciones presentan uno de los métodos por los cuales este fenómeno puede ocurrir. Además, es la primera vez que simulaciones de esta magnitud son realizadas para analizar corrientes de turbidez”, destaca Salinas.

4 Jorge Salinas Crédito foto Gentileza

Jorge Salinas, autor del artículo y egresado del Instituto Balseiro. Crédito foto: Gentileza J. Salinas.

“La característica particular de estas corrientes, la cual es uno de los focos de nuestro trabajo, es la capacidad de viajar cientos de kilómetros y de depositar el sedimento transportado formando grandes depósitos de sedimento orgánico. En escalas de tiempo geológicas, estos depósitos de material orgánico forman los reservorios de petróleo y gas natural”, cuenta Salinas.

Un interrogante que surge es si estudiar este tipo de corrientes podría ayudar a descubrir grandes de depósitos de hidrocarburos. En esa dirección, tanto Cantero como Salinas vienen trabajando hace años. En 2012, en un paper publicado en la revista Nature Geoscience, Cantero y colegas dieron cuenta del estudio de combinaciones de parámetros, como el tamaño de las partículas, la densidad de la corriente y la pendiente del fondo submarino, para predecir las condiciones por las cuales el sedimento decanta y se deposita en el fondo del océano.

“Como ejemplo, uno puede imaginar una corriente con sedimento de un tamaño particular, en las pendientes mayores a 1 grado la corriente tiene la capacidad de mantener ese sedimento en suspensión. Sin embargo, a medida que la corriente viaja y llega a canales submarinos donde las pendientes son menores a 1 grado, llega un punto donde la corriente no puede mantener ese sedimento en suspensión. Como resultado, deposita ese sedimento y se generan grandes depósitos de material orgánico e inorgánico”, grafica Salinas.

La dificultad de realizar mediciones submarinas directas lleva a que las simulaciones computacionales ofrezcan una alternativa importante. Para realizar esta investigación utilizan un código de elementos espectrales. Estos códigos permiten resolver problemas en geometrías complejas e incluso móviles; y la tarea puede distribuirse en millones de procesadores.

De hecho, para este trabajo, las simulaciones fueron realizadas en un cluster computacional, esto es, un grupo de computadores muy potentes, de la Universidad de Florida utilizando miles de procesos. “Se requirieron en el orden de unos mil millones de puntos de grilla. Cada simulación requiere un total de medio millón de horas de cálculo, que se realizan en 1000 procesadores trabajando en paralelo, y 10TB de espacio de almacenamiento”, detalla Salinas.

Además de realizar sus propias simulaciones y dos experimentos que reportaron en el paper de Nature Communications, los investigadores compararon sus resultados con experimentos y resultados numéricos existentes en la literatura científica, para poner en contexto sus hallazgos.

¿Cuáles son los siguientes pasos de esta investigación? Una de las ideas es realizar experimentos de laboratorio para contrastar las observaciones con las simulaciones computacionales, que llaman “experimentos numéricos”. En la computadora, una ventaja es que se puede analizar la estructura tridimensional en detalle. Lograr eso en un experimento con agua y sedimento en laboratorio es todo un desafío.

Asimismo, algunos interrogantes que buscan responder los investigadores a futuro son: cuál es el efecto de tener sedimento de diferentes tamaños en la corriente, una situación más aproximada a la realidad, cuál es el efecto de un cambio de pendiente abrupto, cómo interactúa la corriente con el suelo submarino y cuáles son las estructuras del suelo que se forman como resultado de estos flujos, como por ejemplo las dunas submarinas.

En el trabajo reportado esta semana, las simulaciones numéricas fueron realizadas por Jorge Salinas, exdocente y egresado del Balseiro y Santiago Zúñiga, estudiante doctoral en el Instituto Balseiro bajo la dirección de Cantero, con la ayuda del centro de cómputos de la Universidad de Florida.

¿Cómo se distribuyó el trabajo en equipo? El análisis de los datos fue realizado por todo el equipo de las instituciones ya mencionadas, mientras que Sivaramakrishnan Balachandar, de la Universidad de Florida, y Mariano Cantero, ayudaron con la interpretación de la física del problema. “Nuestros colegas de ExxonMobil ayudaron a poner el trabajo en el contexto de las corrientes de turbidez que se ven en mediciones oceánicas”, detalla Salinas.

Además aportar una nueva mirada al estudio de flujos geofísicos, esta investigación genera una contribución al estudio del fenómeno de la turbulencia en general. “Aunque hay evidencia de que la destrucción de turbulencia (producción negativa de turbulencia) existe, la presencia persistente de una región con estas características hace nuestro problema un caso muy particular. Esta acción estable en el tiempo de la capa de destrucción intermedia tiene consecuencias dramáticas en el flujo, las cuales no podrían ser vistas si la producción negativa apareciera esporádicamente”, agrega Salinas.

¿Qué consecuencias dramáticas tiene en el flujo que exista esa capa intermedia? “La principal consecuencia es la prevención del crecimiento de la corriente y de la capa cercana al suelo submarino, ya que se impide el transporte turbulento hacia arriba. Como resultado, la corriente puede viajar cientos de kilómetros sin crecer en altura y diluirse. El término ‘dramáticas’ es porque si este proceso no existiera en la capa intermedia, la corriente no podría viajar sin crecer en altura y se disiparía”, explica Salinas.

Mientras tanto, en algún lugar del mundo, distintas corrientes de turbidez avanzan velozmente dejando a su paso nuevos relieves. Aunque sean difíciles de observar de forma directa, a través de las simulaciones computacionales ya se sabe un poco más sobre su naturaleza.

Por Laura García Oviedo / Área de Comunicación del Instituto Balseiro

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