La dinàmica marina

El desplaçament de les masses d’aigua

Malgrat la seva relativa imprecisió, encara ara s’utilitza molt la definició i la distinció de “masses d’aigua”, especialment quan unes difereixen força de les altres, tenen un origen diferent i, secundàriament, es troben al llarg de superfícies actives, com a conseqüència de moviments diversos que poden incloure ruptures i lliscaments al llarg de fronts, com també processos de mescla.

La circulació geostròfica

Molt d’interès ha tingut i té l’estudi de la relació geostròfica entre els corrents marins i la distribució de la densitat de l’aigua. El vent és l’agent impulsor més important de l’aigua en superfície, però els moviments observats en l’aigua no s’ajusten amb la circulació atmosfèrica de la manera que ingènuament podríem esperar. En oceanografia es considera, a través d’una formulació física prou correcta, un nivell conceptual intermedi que fa referència a les masses d’aigua definides per la seva densitat i situades en el camp gravitatori d’una Terra que gira.

L’efecte de Coriolis és la component local introduïda per la rotació de la Terra, que defineix l’equilibri —sempre transitori— entre les distribucions de massa i l’acció dels vents. De la manera més senzilla, es pot expressar

dV/dt = (2 Ω sin Φ - dD/dx) - R + E

on Φ és la latitud i dV/dt representa el canvi de velocitat (acceleració o desceleració) del corrent, que tendeix a zero. Si és zero, hi ha una compensació entre l’efecte de Coriolis, 2 Ω sin Φ, i la inclinació de les superfícies isobàriques —aquelles sobre les quals actua la mateixa pressió— transversalment al corrent, angle que s’expressa per dD/dx. Aquesta descripció correspon a la circulació dita geostròfica o inercial, que seria aquella que es troba en equilibri amb la rotació de la Terra. Per indicar que això no és gratuït, hi afegirem dos termes més que es compensen entre ells: el primer, R, designa l’energia transmesa del vent a l’aigua i el segon, E, la dissipació turbulenta d’energia que es dóna en el moviment de l’aigua. Aquests dos termes, R i E, ens recorden, doncs, que tractem d’una màquina que canvia l’energia del vent en modificar l’advecció o transport i en dissipa una part en forma d’un seguit de petits remolins que descendeixen fins a la viscositat i que tenen profund significat en la vida marina.

Les superfícies isobàriques descriuen una topografia (geopotencial) que no coincideix amb la del geoide. La superfície de la mar es considera com una superfície isobàrica. La seva topografia geopotencial s’expressa com la diferència (mètrica) d’alçada que separa dues superfícies isobàriques definides, que podrien ser, per exemple, la superfície de la mar i la superfície de 1 000 decibars (uns 1 000 m de fondària aproximadament). És clar que la diferència és més gran allí on l’aigua és menys densa. Seguint aquestes consideracions i la tècnica corresponent, que no cal detallar aquí, es pot procedir a una dissecció progressiva que il·lustra de manera excel·lent els corrents que cal esperar a diversos nivells i les forces implicades.

A una latitud mitjana, un pendent de la superfície de la mar d’un centímetre per quilòmetre correspon a un corrent de 100 cm per segon o sigui, aproximadament, de dos nusos. El corrent és de gradient perpendicular a la línia de màxim pendent; mirant des del punt més alt de la superfície, el corrent es mou cap a la dreta en l’hemisferi nord i cap a l’esquerra en el meridional. En el procés de transmissió del moviment de dalt a baix, primer del vent a la mar, als corrents superficials, i després d’aquests corrents als més profunds, es compon sempre la rotació de la Terra. El resultat és que el corrent superficial es desvia 45° a la dreta del vent en l’hemisferi nord i a la seva esquerra en el meridional.

A la mateixa línia equatorial predominen vents de l’est i hi ha incertesa: al nord el corrent es desvia cap a la dreta, vers el N, mentre que al sud es desvia cap a l’esquerra, en direcció S. En el centre ha de pujar aigua de fondària per a substituir l’aigua extreta per la divergència superficial. Una conseqüència important per a la biosfera és que com que l’aigua de fons és relativament més rica de nutrients, en apropar-se a la superfície fertilitza la mateixa zona equatorial. La relativa fertilitat del seu eix contrasta amb una relativa pobresa biològica que és bastant general de les aigües de superfície de les mars càlides.

Els canvis de direcció de corrents oscil·lants, dintre de l’aigua, es relacionen amb el sinus de la latitud i, per tant, amb la rotació local del pla d’oscil·lació del pèndol de Foucault. Moviments de boies, com els enregistrats per la gran “bouée laboratoire” (boia laboratori) que estigué fondejada uns quants anys prop de les costes de Provença, o corrents superficials enregistrats, per exemple, en les torres petrolieres de les costes meridionals de Catalunya, mostren clarament oscil·lacions que donen una volta total en la seva direcció en un dia i mig, com correspon a la latitud aproximada de 42°N. Això significa que passen pel mateix pla d’oscil·lació en la meitat d’aquest temps (aproximadament cada 3/4 de dia).

Dins de l’aigua, a mesura que el moviment en superfície es transmet cap avall, alhora que s’afebleix es va desviant, canviant de direcció en el sentit de les busques del rellotge en l’hemisferi nord, i en el contrari en el meridional, descrivint la que s’anomena espiral d’Ekman, fins a un nivell que limita per baix l’anomenat estrat d’Ekman, nivell en el qual la direcció és exactament oposada a l’observada en superfície i la velocitat ha baixat teòricament a no més d’1/23 de la de superfície. El transport net és perpendicular a la direcció del corrent en superfície. La teoria es refereix a situacions d’equilibri i a aigua no estratificada per densitat; però és utilitzable com a base per moltes especulacions que ajuden a entendre aspectes de la dinàmica marina a petita escala (remolins, etc.).

El trici (3H) és un isòtop radioactiu de l’hidrogen molt rar a la natura i de vida mitjana força curta (12,4 anys). A l’atmosfera, per exemple, es presenta de manera natural en la proporció d’un àtom de trici per cada 1017 àtoms d’hidrogen. La seva presència recent als oceans, com a conseqüència de les explosions atòmiques que hi ha hagut des del 1945, en fa un excel·lent traçador dels moviments recents de les cobertes fluïdes del planeta i alhora de les latituds on es concentra la capacitat destructiva de la humanitat. El trici generat en les explosions atòmiques, en efecte, assenyala inequívocament (en un tall meridià de l’oceà Atlàntic occidental establert el 1972 per G. Ostlund, de la Universitat de Miami, en el marc del programa GEOSECS) les latituds entorn de les quals s’havien produït fins a aquella data les explosions nuclears a l’atmosfera, com també el model de difusió de l’aigua oceànica que ha conduït a la distribució actual, amb la penetració cap a aigües profundes a les latituds on la intensitat de ventilació és més gran.

Editrònica, a partir de dades de G. Ostlund

Avui dia es disposa d’un aparell teòric molt avançat, fonamentat en la formulació de les relacions bàsiques que han establert diversos oceanògrafs, principalment escandinaus com Vilhelm Bjerknes (1862-1951), Sven Ekman (1876-1964), Bjorn Helland-Hansen (1877-1957), Harald Sverdrup (1888-1957) o Carl-Gustav Rossby (1898-1957), però també d’altres nacionalitats com l’austríac Albert Defant (1884-1974), l’alemany Georg Wüst (1890-1977), el nord-americà Henry Stommel (1920-93), i encara d’altres, que han aplicat a la dinàmica marina els principis de Newton i de Laplace. Una bona mesura del seu encert és que l’obtenció recent d’informació més densa i acurada ha confirmat, en general, les grans línies de les prediccions que havien fet. Hi ha, certament, discrepàncies, en part de la mateixa mena de les que fan impossible una correcta previsió del temps sobre un període prou llarg. Com que l’aigua és més densa que l’aire i es pot comprimir molt poc, algunes de les dificultats anàlogues a les que es donen en l’estudi de l’atmosfera tenen, potser, importància menor en l’oceanografia. Però n’hi ha d’altres de més específiques d’aquesta disciplina, com ara les que depenen de les irregularitats del fons de les conques marines.

La densitat i la circulació vertical

Els oceans constitueixen una gran màquina que transforma de diverses maneres l’energia externa als organismes o energia exosomàtica, de manera que una part facilita la continuïtat i l’evolució de la vida i el manteniment de la síntesi orgànica. La superfície de la mar rep energia del Sol, tant a través de l’atmosfera per mitjà de l’esforç del vent com per la radiació solar directa que escalfa i evapora l’aigua i genera així la circulació dita termohalina. Aquesta circulació és una conseqüència mecànica de diferències locals de temperatura i salinitat i, per tant, de densitat.

Els moviments es combinen amb la segregació i el transport de materials, molt condicionats per les conseqüències mecàniques de la rotació de la Terra. Les condicions fonamentals per a la producció biològica són la llum i els materials dissolts. La funció més positiva per a la vida és la que porta a redistribuir els materials més escassos, apropant els elements nutritius (P, N, C, etc.) a la llum, activant així el cicle biològic en un punt del seu circuit.

Conèixer la distribució de la densitat de l’aigua de mar és fonamental per a entendre la circulació. La densitat de l’aigua, simbolitzada com ja s’ha indicat per st, creix de dalt a baix. L’estabilitat de l’aigua, E, es defineix per l’expressió E = (1/s) (ds/dz). La barreja vertical de capes superposades requerirà més treball com més estable sigui l’estratificació inicial. Són freqüents els canvis en els quals es passa de desnivells superficials, quan el vent “apila” l’aigua, a una internalització dels esforços, de manera que superfícies internes d’igual pressió (isobàriques) queden més o menys inclinades en relació amb les d’igual gravetat. Tal situació pot persistir en relació amb les forces d’inèrcia associades amb la rotació de la Terra i amb l’organització general del transport.

Les acceleracions a què els volums d’aigua estan sotmesos varien contínuament, sota l’arrossegament pel vent, els canvis locals de pressió baromètrica, les entrades i sortides de calor, la intensitat de la mescla vertical local i la importància de les diferències entre evaporació i precipitació. Tot és inestable: estructures hidrogràfiques menors, l’estudi de les quals és molt important per a entendre les successions planctòniques, estan immerses i són ràpidament projectades i deformades en un àmbit més gran, dintre d’una jerarquia d’estructures de circulació de dimensió diversa, encaixades les unes en les altres. No es pot congelar una part de l’oceà per procedir a un estudi instantani i minuciós. La recerca és una cursa per a entendre un sistema canviant, mobilis in mobile, com la divisa del capità Nemo, el personatge creat per Jules Verne.

Molts autors s’han referit a la gran amplitud de les escales d’espai i de temps que són necessàries per a encabir una varietat tan extensa de fenòmens. Diferències d’escala han fet que alguns d’aquests fenòmens es veiessin com a massa diferents entre ells, des dels condicionaments de la mobilitat dels organismes fins al significat de moviments o mescles verticals de l’aigua. Les diferències en l’expressió de fenòmens equivalents poden dependre també de l’extensió relativa i de l’articulació mútua de terres i mars, que ha canviat considerablement, tal com ja s’ha dit, en el curs dels temps geològics. Aquesta ha estat una causa de grans variacions al llarg de la història geològica de la producció biològica marina, de la seva distribució geogràfica i del grau de preservació de part dels materials produïts.

Els vents i els corrents oceànics

Ara hi ha dos oceans estesos pràcticament de pol a pol en direcció meridiana: l’Atlàntic (82,4 milions de km2) i el Pacífic (165,2 milions de km2); i un tercer, l’Índic (73,4 milions de km2), majorment estès a l’hemisferi austral. Les xifres donades no inclouen mars adjacents menors ni conques secundàries, les quals, en total, ocupen uns 40 milions de km2 més. L’oceà Pacífic (723,7 milions de km3) ocupa lleugerament la meitat del volum total de les aigües marines. En la direcció dels paral·lels, l’única porció contínua es troba a l’hemisferi S, on, entre els 50° i els 60° de latitud austral, es reconeix una intensa circulació general d’W a E, amb corrents de fins a 15 cm per segon (0,3 nusos). S’hi distingeixen dues convergències, la subtropical i l’antàrtica, i entre elles una zona que se suposava de producció bastant alta. Una convergència és una línia al llarg de la qual dues masses d’aigua es troben i s’enfonsen; com que les dues masses d’aigua acostumen a ser de característiques diferents, la convergència pot quedar ben definida, en forma del que s’anomena un front. Una divergència és el moviment invers, aigua que puja al llarg d’una línia i que, en arribar a la superfície, es reparteix en dos vessants. Les divergències sovint són llocs de producció biològica elevada.

Els sistemes de circulació reflecteixen la distribució general dels vents. Els oceans transporten calor de l’equador als pols, de manera que hi ha una component superficial de transport en aquest sentit. L’aigua que s’enfonsa a latituds altes contribueix alhora a oxigenar els estrats profunds. Els alisis generen una circulació equatorial cap a l’oest, amb un aflorament equatorial.

La massa oceànica principal queda repartida en cinc “semioceans”, de forma més o menys trapezoïdal. Cada una d’aquestes unitats constitueix un gran circuit o gir en el sentit de les busques del rellotge en l’hemisferi nord i en sentit contrari en l’hemisferi austral, anticiclònic, per tant, en tots els casos. El centre d’aquests grans remolins conté aigua que tendeix a enfonsar-se i els nutrients de la qual ja han estat esgotats. En la direcció dels paral·lels, d’E a W, els girs principals són asimètrics, amb corrents intensos meridians a l’W, que transporten més aigua a l’hemisferi nord que al meridional, i sistemes d’aflorament a l’E, que són més intensos a l’hemisferi sud (Perú, Benguela) que al nord (Califòrnia-Oregon, Sàhara-Marroc-occident ibèric).

Corrents intensos marquen, doncs, la vora occidental dels oceans, particularment ràpids i ben definits —i coneguts d’antic— a l’hemisferi nord (corrent del Golf o corrent de Kuro-Shio, amb velocitats de fins a més de 2 nusos). Entre aquests corrents i les respectives costes que queden a ponent seu hi ha sistemes força fèrtils, dinamitzats també per l’afluència d’aigua dolça, la qual genera circulació costanera cap a la dreta, mirant des de terra. Han mantingut pesqueres tradicionals força productives.

L’Índic és un “mig” oceà de característiques especials, molt influïdes pel règim monsònic que resulta de la presència de les terres altes d’Àsia central. El monsó d’hivern, del NW, refreda les aigües i augmenta la fertilitat de les badies d’Oman i de Bengala; el monsó d’estiu, del SW, genera un intens aflorament a la costa de Somàlia. La part meridional del mateix Índic conté un gran gir anticiclònic comparable als de les parts corresponents dels altres oceans.

La circulació a les conques secundàries

La configuració actual dels continents fa que hi hagi regions marines que no siguin prou extenses ni contínues per contenir una circulació plenament en equilibri amb la rotació de la Terra i amb grans sistemes d’aflorament, ni tampoc un règim “normal” de marees. La seva circulació és totalment o parcialment termohalina, perquè hi contribueixen diferències de temperatura i salinitat, sovint amb marcada dependència del pas de les estacions.

La fertilitat hi depèn de la dimensió del sistema fertilitzant. De fet, en mars petites mai no és gaire elevada, però sovint és prou bona (fins a 200 g de carboni per metre quadrat i any) i, combinada amb la freqüent complexitat en el traçat de les costes, possibilita una diferenciació ecològica considerable i una diversitat biòtica elevada. Generalment sempre es reconeixen àrees on l’aigua apareix més sovint o més contínuament estratificada i altres regions en les quals, per raons locals, en particular en aquells casos en què sovintegen situacions atmosfèriques favorables (per exemple, ciclogènesi), apareixen i es manifesten repetidament fronts marins actius i fins i tot àrees on aflora aigua profunda potencialment fèrtil.

En les conques secundàries més càlides (el Carib i el golf de Mèxic d’una banda, i la Mediterrània per una altra) diverses estructures hidrogràfiques relativament petites són força persistents i mantenen unes relacions d’espai i de temps prou estables. A més, en ser la producció total més baixa que en les regions privilegiades dels grans oceans, aquesta també és menys variable d’un any a un altre. L’escala de dimensions menor pot explicar també la persistència d’algunes distribucions verticals, com és la capa enriquida de nitrit que es fa just dessota de la nutriclina i del màxim de clorofil·la. Cal dir, però, que estructures semblants, tallades a una escala petita, es reconeixen també en regions relativament reposades de conques oceàniques principals.

La característica comuna més notable de les conques secundàries és que comuniquen per damunt d’un llindar amb un oceà principal i que en difereixen en la quantitat d’evaporació i de pluja rebuda i, encara més, en la respectiva diferència entre ambdues quantitats. En conseqüència, la circulació de tipus termohalí amb l’oceà principal admet dues modalitats. Si l’evaporació a la conca secundària excedeix la pluviositat, com passa a la Mediterrània, la circulació en superfície va de l’oceà a la conca secundària i arran del llindar surt aigua profunda (com és el cas precisament de la Mediterrània). La diferència entre l’aigua que entra i la que surt s’ajusta a la diferent evaporació i sempre hi ha un aparent excés d’aigua canviada. Això no és sinó una manifestació de la tendència general vers sistemes de molta inèrcia, en els quals l’energia a l’abast acaba per fer circular molts materials a baixa velocitat.

Els resultats esperables són diferents. A la Mediterrània es produeix aigua salina de fons, que s’escapa per Gibraltar i s’emporta un relatiu excés de nutrients. Per això la Mediterrània és pràcticament oxigenada fins al fons i no s’eutrofitza. En canvi la Bàltica és un exemple d’un règim oposat. Rep molta aigua dolça que fa que en els estrats dessalats superficials, especialment en els grans golfs interns, prosperi una vida derivada (i, en part, molt semblant) de la de les aigües dolces veïnes. La forta estratificació i l’alta producció biològica són causa que el fons sigui anòxic en considerables extensions. Es pot discutir la cura relativa que els habitants de les dues conques que comparem aporten al tractament de les respectives mars, però és cert que, si més no en l’aspecte de donar facilitats per a la conservació, els déus estan de part dels mediterranis.

La circulació en la mar Bàltica és comparable a la que es troba en un estuari normal o “positiu”: surt aigua superficial i, més o menys, entra aigua pel fons que pot formar una mena de “tascó” salinitzat. En la Mediterrània és a l’inrevés, i per això hom sol comparar les situacions que aquest fet comporta amb un hipotètic “estuari negatiu”. La intensitat de les marees, escassa a les conques secundàries, juntament amb la fondària a què arriba el llindar condicionen, en una part força important, els moviments de l’aigua en els estrets que comuniquen amb els oceans principals.

Algunes mars secundàries contenen vestigis d’oceans antics, com la Mediterrània o el Carib i el golf de Mèxic, que inclouen fragments de l’antiga Tetis, una mar càlida, gairebé equatorial (latitud entre 30°N i 30°S), que durant el Mesozoic encerclava tota la Terra i a les ribes de la qual es formaren molts dels actuals jaciments d’hidrocarburs i, de tant en tant, dipòsits d’evaporites.

Dades comparatives d’algunes de les conques marines secundàries més importants. S’indiquen (en metres) les fondàries màximes i mitjanes de les conques i la dels llindars que les separen dels oceans o mars amb els quals comuniquen.

Dades proporcionades per l’autor

L’excés de salinitat ha estat crònic a la Mediterrània —la conca sempre ha estat relativament àrida—, però en alguns moments ha assolit valors molt més acusats, com ara en la fase del Messinià, fa uns cinc milions d’anys, en la qual es diposità un gran gruix d’estrats d’evaporites, ara cobert per nous sediments. La separació d’aquesta quantitat de sals contribuí, tal com ja s’ha indicat anteriorment, a rebaixar la salinitat dels oceans mundials ben bé en un 2‰.

La mar Roja és molt diferent. És un lloc de separació recent de l’escorça, amb injecció ascendent de materials molt densos i una anomalia gravitatòria positiva. Salmorres que es troben al fons, per la seva densitat i per l’excés de metalls que contenen, assenyalen el seu origen profund. Ara el règim ha estat modificat per l’obertura (reobertura?) del canal de Suez, que després de la gradual eliminació d’evaporites antigues concentrades a la regió ha facilitat un ja considerable nombre d’intercanvis biòtics, en tots dos sentits.

El vaivé de les marees

Tots els fenòmens naturals de caràcter veritablement periòdic tenen quelcom de màgic o misteriós. De tots, els més directes i comuns són els viatges del Sol i de la Lluna a través del firmament. El Sol, sense canviar de forma, sempre circular, marca un ritme diari que ho domina tot. La Lluna, encara que també fa el viatge diari, es comporta d’una manera peculiar ja que està desfasada respecte al Sol i canvia de forma aparent cada dia. Tanmateix, repeteix un cicle de lluna plena a lluna plena, o de lluna nova a lluna nova, com es vulgui, i ens mostra un ritme que és d’allò més útil per a mesurar el temps: el període mensual. El Sol s’enlaira més o menys sobre l’horitzó segons l’època de l’any, canvia l’hora de sortida i de posta, i ens subministra una altra vara per mesurar el temps en unitats més llargues: el període anual. Podem mesurar els anys en primaveres o hiverns. Caldria preguntar-nos quin paper han tingut aquests rellotges naturals en el desenvolupament de la intel·ligència dels humans, però és segur que els ha permès organitzar-se i aprendre a anticipar certs esdeveniments amb molta fiabilitat.

La capacitat d’anticipació, però, no és privativa dels humans. Tota la biosfera balla al ritme dels astres: al so del dia i la nit, de la Lluna, de les estacions de l’any, i més enllà encara, al ritme dels lleugers canvis periòdics de l’angle d’inclinació de l’eix de gir terrestre, responsable segons sembla del vaivé dels casquets de gel polars, amb periodicitat de milers d’anys. La longitud de la vida dels organismes condiciona la seva potencial habilitat per a reconèixer i fer servir, a manera de rellotge de referència, les pulsacions dels astres. En general, els organismes més petits, de vida molt curta, només poden reflectir el ritme diari, mentre que els més grans, de vida llarga, poden reconèixer les estacions de l’any. No hi ha períodes clars d’uns quants anys, i per tant, no hi ha cap rellotge natural útil per a intervals d’entre un i cent anys.

La dinàmica mareal

Les anomenades marees vives i marees mortes corresponen a diferents combinacions de l’acció del Sol i de la Lluna, segons les fases lunars. Així, en fase de lluna plena o de lluna nova, quan la Lluna i el Sol es troben arrenglerats amb la Terra, l’acció de tots dos astres se suma i es produeixen les marees vives. Per contra, quan la Lluna es troba en fase de quart minvant o de quart creixent, formant amb el Sol un angle recte al vèrtex del qual es troba la Terra, es produeixen les marees mortes. En tot cas, les forces més intenses són les degudes a l’acció lunar (sagetes de la il·lustració), les quals convergeixen cap al centre del parell rotatori Terra-Lluna (o el seu punt antipòdic).

Editrònica, a partir de fonts diverses

El Sol i la Lluna també són els principals responsables de les marees, un altre ritme periòdic que pot ser usat pels organismes com a senyal per a posar en hora els propis ritmes interns. S’anomena marea la pujada i baixada del nivell del mar, amb un període d’unes 12,5 hores (o bé d’unes 25 hores), que es pot observar al litoral de qualsevol dels oceans principals. En les marees, però, ni el període ni la intensitat del senyal (l’elevació del nivell de la mar) no és igual a tot arreu. Al litoral, on l’efecte de les marees és més intens, molts organismes sincronitzen els seus ritmes biològics amb el de la marea del lloc on viuen. Indirectament s’acoblen a la Lluna i al Sol, de manera combinada, a través de la mar.

La variació del nivell de la mar és el fet més evident, però no és sempre el més important, ni des del punt de vista físic, ni des del punt de vista dels organismes (incloent-hi els humans, usuaris recents de la mar). Associats als ascensos i descensos del nivell es poden observar moviments horitzontals importants, els corrents de marea. De fet, l’aigua puja prop de la costa on hi ha convergència de corrents cap a terra, i baixa on hi ha divergència, és a dir, transport cap enfora. Aquests corrents poden arribar a ser molt intensos, encara que al cap d’un cicle complet el transport net d’aigua (o dels objectes suspesos) pot ser menyspreable. Ara bé, la intensitat del corrent comporta uns esforços i un fregament amb el receptacle (el fons i les vores d’una badia, per exemple), o en el si de la mateixa massa d’aigua, que provoca una barreja sovint molt intensa i per tant promou la difusió de substàncies, ja sigui dissoltes o en forma particulada. Aquesta barreja i la difusió associada tenen un efecte important en el mode de funcionament dels ecosistemes sotmesos al ritme mareal (increment de la capacitat de producció biològica, estructuració de les aigües costaneres amb la formació de fronts actius, etc.).

La superfície que separa dos fluids de densitat diversa adquireix fàcilment moviments ondulatoris com a resposta a deformacions de causa instantània o persistent. Les marees en són un bon exemple. Si la part sòlida de la Terra fos més plàstica, es deformaria contínuament com a resposta a l’atracció gravitatòria combinada dels astres, almenys dels que tenim més a prop, com la Lluna i el Sol, cosa ben calculable en pura mecànica newtoniana. La relativa rigidesa de les parts sòlides de la Terra fa que la seva resposta sigui mínima, encara que definible. En canvi, l’aigua i l’atmosfera redistribueixen considerablement la seva massa de manera periòdica, per damunt d’un globus poc deformable.

Aquesta resposta desigual de les parts de la Terra determina un efecte de frenada, el resultat del qual ha estat retardar la rotació de la Terra. La durada de l’any no ha canviat, però sí que ho ha fet la del dia: cada 10 milions d’anys aproximadament, el nombre de dies que comprèn un any s’incrementa en un. El canvi ha quedat enregistrat en les estructures periòdiques diàries, mareals i anyals, que es manifesten en parts sòlides d’organismes del passat (mol·luscs, coralls). Són comparables als registres de ritmes, més coneguts, que queden en forma d’anells de creixement en els otòlits dels peixos, els troncs d’arbres, etc.

La Lluna i les marees

La teoria de les marees permet de calcular en termes generals, o a gran escala, com seran les marees en els oceans, tenint en compte l’extensió i la forma d’aquests. Les ones de marea adopten una distribució relativament complicada, però el motiu bàsic que es repeteix és fàcil de comprendre: cal pensar que les ones es mouen al voltant d’uns centres, on l’elevació és nul·la, estant l’alçària de l’ona creixent en direcció radial oposada a aquest centre de rotació (que s’anomena punt amfídrom). Si prenem un instant arbitrari com a instant inicial (0), les crestes s’hauran desplaçat fins a la posició indicada per l’1, i així fins a completar el cicle. Quant a l’altura de la marea, és nul·la al voltant dels punts amfídroms i creix cap als extrems de les crestes. Aquestes altures també estan representades al mapa amb un altre color, i les xifres indiquen metres.

Editrònica, a partir de fonts diverses

Les marees són una conseqüència de l’acció simultània de la força gravitatòria de la Lluna, la del Sol i la rotació conjunta dels parells d’objectes Terra-Lluna i Terra-Sol. S’han de considerar els parells, ja que el centre de la massa conjunta de la Terra i la Lluna, per exemple, al voltant del qual gira el conjunt, es troba aproximadament a una quarta part de radi terrestre dins de la Terra, sobre l’eix imaginari que uneix els centres de tots dos cossos. Abans de res cal entendre la composició de les forces gravitatòria i centrípeta del parell Terra-Lluna, que són independents del fet que la Terra giri sobre ella mateixa (sobre l’eix que passa pels seus dos pols), que tan sols té un efecte modulador, important, això sí, sobre les marees. La Terra i la Lluna es mantenen sempre a una certa distància l’una de l’altra perquè la seva atracció mútua, seguint la coneguda llei de Newton de la gravitació, és compensada per la força centrípeta associada al gir dels dos objectes respecte al centre de massa comú citat anteriorment. Ara bé, com que la distància a la Lluna o al centre comú de gir és diferent per a cada punt de la superfície terrestre, en cada punt serà diferent la suma de les forces gravitatòria i centrípeta. De fet, tindrem una distribució de forces resultants amb una simetria radial al voltant de l’eix que passa pels centres de la Terra i de la Lluna. Val a dir que les forces resultants productores de les marees tan sols són 10–7 vegades la gravetat terrestre.

Si unes forces tan dèbils són importants és perquè afecten tota la massa de l’aigua i perquè hi ha components horitzontals, és a dir, transversals respecte a la direcció de la gravetat. A aquestes forces horitzontals tan sols es poden oposar forces també horitzontals, que a la mar són sobretot produïdes per desnivells de la superfície marina que duen associades forces de pendent. És important fixar-se que els components horitzontals d’aquestes forces resultants són més importants en aquells punts de la Terra que queden a una certa distància de la recta que uneix els centres dels dos astres, i és precisament en aquests punts que l’aigua tendirà a moure’s horitzontalment per l’acció de les forces mareals.

Fins aquí no hem considerat que la Terra gira sobre ella mateixa, cosa que sabem que fa. Per això, cada punt del planeta serà afectat de manera periòdica (diària) per forces mareals dirigides cap enfora (oposades a la gravetat terrestre) i cap endins (en el mateix sentit que la gravetat), i l’afectaran forces amb components horitzontals més importants entre les dues situacions més extremes.

La influència del Sol

El parell Terra-Sol produeix una sèrie de forces similars a les produïdes pel parell Terra-Lluna, però el seu efecte és tan sols la meitat del produït per la Lluna, ja que malgrat que la massa del Sol sigui enormement més important que la de la Lluna, també ho és la distància que el separa de la Terra. D’altra banda, com que el Sol i la Lluna no es mouen sincrònicament, les posicions relatives dels tres astres varien constantment i el resultat de sumar tots els efectes és força complicat. Totes les variacions temporals esmentades i moltes d’altres que no hem dit tenen un caràcter marcadament periòdic. Tant és així, que el resultat final es pot descompondre i expressar com una suma de funcions sinusoïdals, cadascuna amb un període ben definit.

Algunes posicions relatives dels astres involucrats són especialment dominants. Així, per exemple, quan el Sol, la Lluna i la Terra estan aproximadament en una mateixa direcció —de vegades la Terra està entre el Sol i la Lluna (lluna plena), i unes altres la Lluna està entre el Sol i la Terra (lluna nova)—, la suma dels efectes és màxima. En canvi, les forces resultants són mínimes quan el Sol il·lumina la Lluna per qualsevol dels dos costats (vista des de la Terra, quarts creixents o minvants). La variació temporal de les forces té més components que els esmentats fins ara, ja que les òrbites relatives del Sol i la Lluna respecte a la Terra no són cercles sinó el·lipses, i els plans de rotació varien la seva inclinació relativa. Tot això fa que les alçades de les marees siguin molt variables.

Les amplituds màximes que corresponen a cada component sinoïdal són variables segons el lloc d’on es tracti, i per tant el ventall de tipus de marees que es poden observar als diferents punts geogràfics del planeta és immensament ampli. De tota manera, tenint en compte que els períodes que més contribueixen a la marea són els semidiürns i els diürns, podem classificar les marees segons que sigui l’un o l’altre d’aquests dos tipus de períodes el dominant. Així, anant d’un tipus extrem a un altre, trobarem marees fonamentalment semidiürnes, marees mixtes (presència dels components semidiürns i diürns ben diferenciats) i marees fonamentalment diürnes.

La predicció de les marees

En l’expressió final dels moviments de marea és molt important la interacció entre la deformació aparent que té la mar a causa de les forces mareals i la forma i les dimensions concretes de la costa. Hom es pot imaginar que les forces produeixen una deformació de l’embolcall fluid del planeta, com si responguessin de manera instantània als components verticals de les forces de marea (pujant el nivell quan aquestes són cap enfora de la superfície, mostrant una depressió quan les forces se sumen a la gravetat), però el sentit comú i l’experiència pràctica ens diu que la mar té una inèrcia important i que els components horitzontals tenen més oportunitat de fer moure l’aigua que els verticals. Així, el que té més importància són els corrents de marea, que en l’àmbit de tot un oceà produeixen les forces i generen ones forçades, les quals segueixen el període de les forces actuants i no el període que seria propi tenint en compte tan sols la forma i l’extensió dels oceans, la densitat de l’aigua i la fondària. Les llargues ones produïdes per les forces mareals tendeixen a desplaçar-se per la mar seguint les dites forces (són ones forçades). A l’equador, la superfície del nostre planeta va a una velocitat d’uns 450 m per segon respecte a la posició de la Lluna, a uns 45° de latitud aquesta velocitat és d’uns 300 m per segon, i va disminuint en direcció als pols. Cal dir, per tenir una referència, que en un oceà de 5,5 km de profunditat, la cresta d’una ona llarga, de tipus semblant a les que estan associades a les marees, viatjaria, en situació d’equilibri, a una velocitat de 230 m per segon. Com que les forces mareals es desplacen sobre el planeta a la velocitat de rotació de la superfície d’aquest (la que hem dit abans), la situació més comuna és aquella en la qual l’ona produïda no pot seguir les forces mareals i està retardada respecte al pas de la Lluna. En latituds baixes al voltant de l’equador, aquest desfasament és d’unes 6 hores. Concretant, la marea alta es produirà dues vegades, a 6 hores i 12 minuts i a 18 hores i 36 minuts després del pas de la Lluna. A mesura que augmenta la latitud, aquest desfasament es redueix i, encara que sigui diferent per a diferents llocs, és sempre constant per cadascun d’ells. Ara bé, quan ens trobem a una latitud per la qual la velocitat de la superfície de la Terra respecte a la Lluna és del mateix ordre que la velocitat pròpia de les ones com les de les marees però no forçades (a la latitud de l’oceà Antàrtic, per exemple), llavors aquestes ones poden seguir perfectament el pas de la Lluna. La marea alta es produirà llavors quan passi la Lluna i al cap de 12 hores i 25 minuts (quan estigui just a l’altre costat del planeta).

Altres moviments més o menys periòdics

Ultra les marees, la mar presenta altres moviments. Els desplaçaments de vaivé de l’aigua per efecte del vent i els afloraments de les aigües profundes són els dos casos més representatius.

L’onatge superficial

Les ones són generades pel vent, i es propaguen per més temps i més enllà de l’espai on té lloc directament l’acció mecànica. Resulten de la interacció entre dos fluids que es mantenen separats per la diferència de densitat. Neixen i creixen sobre la base de les irregularitats que es formen en la superfície de contacte entre els dos fluids, que van a diferent velocitat. A partir de valors significatius en aquesta diferència de velocitat, es formen ones que, en realitat, mai no són perfectament uniformes. A més hi ha un arrossegament de l’aigua pel vent, base dels corrents marins. La superfície de fricció genera les ones, les quals són un resultat de la propagació del moment cinètic.

Les ones es caracteritzen per la velocitat, C, mesurada a la cresta o part més alta (10-15 m per segon, en alta mar); la longitud, L (variable, les majors fins a centenars de metres); l’alçada, H (fins a 15 m), i el període, T (generalment entre 5 i 9 segons). Aquestes magnituds es relacionen entre elles per mitjà d’equacions senzilles: L = gT2/2p, C = L/T , T = 2pC/g, en les quals g és el valor local de l’acceleració de la gravetat. Tot això és una primera aproximació, atès que els dos fluids presenten pertorbacions turbulentes que compliquen les interaccions i en determinen una rica manifestació local. Amb raó s’ha dit que la descripció de la superfície de la mar és més tasca de poeta que de matemàtic. Evidentment hi ha altres aproximacions. Així, per exemple, el “gra” de la reflexió de la llum a la superfície de la mar depèn de la mida i de la distribució dels pendents de les facetes o superfícies especulars elementals, de manera que la informació proporcionada, per exemple, per fotografies de la superfície de la mar fetes des d’un avió, sota un angle conegut, permet estudis estadístics de la distribució de les facetes de diferent angle, amb conseqüències interessants.

Tal com veurem a continuació, les ones comporten uns moviments orbitals de l’aigua per sota de la superfície, que continuen avall fins a esmorteir-se, i contribueixen a la barreja de l’aigua. Si les ones s’apropen a la costa, “trenquen”: és a dir, aquests moviments inferiors interfereixen amb el fons, l’ona es fa curta i alta, i les parts superiors “cauen”. Tot això és ben visible a qualsevol riba. Des del punt de vista de la biologia el més important és el treball de la part inferior de les ones sobre el sediment i els organismes que hi viuen a dins o al damunt. No es poden ignorar aquest i altres efectes de l’esforç de les ones sobre els organismes, treball que s’afegeix al de les marees com un factor que, certament, pot tenir algunes característiques negatives, però també en té d’altres de ben positives, tant en el canvi de l’aigua com en relació més precisa amb organismes que utilitzen amb profit l’energia exosomàtica extraordinària que ofereixen els ambients més batuts. Efectes de pressió (de 2 a 3 kg per cm2) i de cisallament són altres manifestacions, menys positives, de la mateixa energia.

Les ones internes i les termoclines

El moviment de les ones es propaga orbitalment cap avall i barreja un estrat d’aigua superficial, de gruix més gran o més petit, uniformitzant algunes de les seves característiques, la temperatura, per exemple. En aquest cas empeny cap avall i accentua el gradient tèrmic inferior. Aquest gradient o salt tèrmic es fa més sobtat a mesura que aprofundeix en l’aigua i, al mateix temps, minva l’energia mecànica de què es pot disposar al seu nivell. El resultat és un efecte típic de tisora que porta a l’estabilització de la discontinuïtat tèrmica o termoclina, sovint entre els 30 i els 100 m de fondària. La termoclina també és una picnoclina estable, consistent en una discontinuïtat del gradient vertical de densitat que, precisament per això, pot ser recorreguda per ones internes. Com que les ones internes es manifesten entre dos fluids, la diferència de densitat entre els quals no és tan gran com la que hi ha entre aire i aigua, són de velocitat menor (ordinàriament entre 0,3 i 0,6 m per segon), període més llarg (de 5 minuts a unes quantes hores) i alçades corresponentment molt més grans (entre 5 i 30 m, per exemple) que les ones superficials. Trenquen com aquestes i provoquen remolins d’importància indubtable per a la vida pelàgica.

La termoclina acaba estabilitzant-se a un nivell que depèn de la intensitat local i habitual del vent. En realitat hi pot haver dues termoclines, una que es forma cada temporada, a mesura que l’aigua s’escalfa en superfície, i una altra de més persistent, que limita per sota l’estrat superficial d’aigua on la mescla vertical es dóna sovint o és possible. Sempre són un factor molt important de la compartimentació del medi pelàgic; sovint són en un nivell en el qual capes superposades llisquen l’una al damunt de l’altra i, de vegades, coincideixen aproximadament amb el límit de la capa fòtica. Mentre que la formació de la termoclina és gradual, a partir de la superfície, i pot durar mesos, la seva desaparició necessita molt poc temps: per convecció de l’aigua que es refreda en superfície, es fa més densa i cau. És un altre exemple de les freqüents asimetries en els canvis naturals.

Les fluctuacions dels afloraments

Els afloraments són i han estat sempre fluctuants arreu. Generalment hi ha una correlació positiva entre la producció mitjana i la seva variància. Les regions marines poc productives també són més constants. Els sistemes més productius són molt variables, i el més productiu de tots, el de les costes occidentals d’Amèrica del Sud, és el més variable. Hi ha indicis de canvis seculars. En el límit nord de l’aflorament, en les costes de l’Equador, on ara el clima és relativament sec, com a conseqüència de la fredor de l’aigua aflorada, es veu prou bé que anys enrere un clima més humit va deixar senyals sobre el paisatge. Al Perú mateix hi ha indicis que els dipòsits de guano, tan intensament explotats durant els dos darrers segles fins que es generalitzà l’ús de fertilitzants artificials per a l’agricultura, eren relativament recents, i que fa uns milers d’anys un entorn menys sec que el d’ara podia haver estat associat amb un sistema d’aflorament una mica menys actiu.

Fou precisament en aquestes costes que L.E. Dinklage, capità d’una embarcació prussiana, féu la que devia ser la primera descripció correcta d’un aflorament. El capità prussià escrivia el 1874: “Crec que els vents alisis són les forces motrius més importants (...) succionen constantment l’aigua de la costa (...) i l’impulsen vers l’oest. Per compensar aquesta desviació (...) que opera en superfície, ha de pujar aigua de sota la superfície cap a terra, sorgir directament en la costa i arribar a la superfície”.

La variació en el règim oceanogràfic és molt sovint el responsable natural dels augments o de les minves dels estocs de peix. Aquest, més encara que la pressió pesquera, fóra el cas de la caiguda de les poblacions de lluç del Cap (Merluccius capensis i M. paradoxus) i de sardina ocel·lada (Sardinops ocellatus) i de l’increment de les de sorell del Cap (Trachurus capensis) als afloraments del corrent de Benguela en les dècades dels seixanta i dels setanta, situació invertida en la dècada dels vuitanta. O també fóra el cas de les oscil·lacions en la captura de l’anxoveta peruana (Engraulis ringens) i de la sardina sud-americana (Sardinops sagax) en aigües xilenes i peruanes relacionades amb el fenomen d’El Niño i el corrent de Humboldt.

Editrònica, a partir de fonts diverses

No és pas estrany. L’aigua anormalment freda del corrent de Humboldt genera la més extensa (uns 400 000 km2) regió marina d’aflorament del món i també la de producció més intensa (entre 500 i 1 000 g de carboni assimilats per metre quadrat i any). Tal com reconeixia el mateix Humboldt en proclamar, potser amb excessiva modèstia, que l’únic que havia fet per merèixer que donessin el seu nom a aquell corrent havia estat mesurar-ne la temperatura però que, des de feia segles, no hi havia cap vailet de família de pescadors de la costa peruana que no el conegués; els humans, com els ocells abans d’ells, havien explotat secularment aquesta excepcional producció. En canvi el mateix corrent genera, amb la seva fredor, una circulació atmosfèrica descendent, contrària a la pluja, però que pot ser l’origen de boires (la “garúa”) i això ha imposat també secularment als agricultors de l’àrea costanera peruana una gestió molt acurada de l’aigua.

La circulació atmosfèrica descendent resulta poc favorable als ocells planadors: és per això que en aquestes costes, com en totes aquelles on hi ha aflorament, molt explotades per ocells marins, predominin les espècies d’ocells que pesquen en picat i es cabussen per atrapar els peixos que els serveixen d’aliment. Els ocells més importants a la costa del Perú com a acumuladors de guano a terra són o, més aviat, eren el “guanay” (Phalacrocorax bougainvillii), el “piquero” (Sula variegata), el pelicà bru (Pelecanus occidentalis) i el “camanay” (Sula nebouxii). Hi ha molts més ocells d’altres espècies i entre ells n’hi ha molts que poden traslladar-se fàcilment volant d’un lloc a un altre, si cal, amb una mobilitat molt més gran que la de la fauna marina local. Això està d’acord amb la inseguretat de la producció marina local, que no pot mantenir molts peixos depredadors de llarga vida i poc viatjadors: serien substituïts funcionalment per ocells que poden canviar de residència. El que succeeix en les regions d’aflorament fluctuant seria comparable a l’aprofitament que els ocells migrants fan de la primavera nòrdica.

A la costa de Califòrnia, on hi ha un aflorament bessó del del Perú, s’han reconegut fluctuacions dintre de fluctuacions (tot plegat força irregular) en el passat, mercès a indicis bioquímics i biològics enregistrats, per exemple, en escates de peixos conservades en els sediments dipositats dessota de la regió d’aflorament.

En molts altres llocs hi ha fluctuacions plurianuals semblants. La intensitat de l’aflorament en les costes de Galícia també és oscil·lant, i els límits de la regió més activa i més freda del NW de la Península Ibèrica es reflecteixen també en la distribució d’espècies d’algues i mol·luscs costaners.

En l’extrem occidental del golf de Biscaia, les aigües de ponent són més fredes i, si l’aflorament és persistentment molt intens, els límits es mouen cap a llevant. Moltes de les mateixes espècies d’aquesta costa viuen també entorn d’un altre límit oposat que hi ha a les costes de l’W de França (el golf de Biscaia és més càlid que els seus dos extrems). E. Fischer-Piette inicià l’estudi d’aquesta mena de fluctuacions, reflectides en la vida bentònica litoral, durant la dècada dels anys cinquanta, estudi que malauradament no ha estat continuat.

Cal recordar aquí que Le Danois, des del 1925, havia reconegut moviments en l’extensió de les masses d’aigua més càlida dels centres dels oceans, a latituds mitjanes, a les quals donà el nom de transgressions perquè s’apropaven o se superposaven a les masses d’aigua més costaneres, justament tal com s’ha reconegut en el Pacífic meridional, on potser el fenomen té una amplitud més gran. També hi està menys dissimulat per les característiques diverses que té la dinàmica atmosfèrica en els dos hemisferis.

Fluctuacions comparables, de periodicitat entre 6 i 7 anys, es reconeixen en altres fenòmens marins, per exemple en les poblacions de tonyines, fet que no és estrany perquè els grans peixos carnívors viatgen molt i depenen de poblacions locals de preses que es relacionen, al seu torn, amb sistemes locals d’aflorament. Aquests poden tenir efectivament un cert punt de sincronisme en les seves fluctuacions, com a dependents que són d’un mateix sistema comú atmosfera/hidrosfera.

El fet que els punts culminants de tota aquesta mena d’oscil·lacions estiguin distanciats diversos anys porta a ponderar mecanismes una mica deslligats dels cicles anuals, d’un nivell superior a aquests i basats, per exemple, en la gran capacitat calorífica dels oceans, més de 300 vegades més gran que la de l’atmosfera. Es podria pensar en un oscil·lador basat en la interacció entre les dues cobertes fluides del planeta. Ara es tenen xarxes més completes d’observatoris meteorològics i mitjans d’observació des de l’espai, per exemple, de les característiques de les aigües superficials de l’oceà Pacífic, que permeten esperar que, si més no, El Niño deixarà de tenir el caràcter de miracle aleatori que ara té.