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Científicos de Argentina y de Estados Unidos develaron la anatomía de las corrientes de turbidez

El artículo se publicó en Nature Communications y en él se explica qué mecanismos moldean la anatomía de grandes corrientes submarinas, que juegan un rol clave en el transporte oceánico de carbono, nutrientes y agua dulce. Participan investigadores del Balseiro, del Conicet, de la CNEA del Centro Atómico Bariloche, y de la Universidad de Florida.

15 de marzo de 2021, 09:02.

Científicos de Argentina y de Estados Unidos develaron la anatomía de las corrientes de turbidez

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


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.

El artículo se publicó en la prestigiosa revista Nature Communications. Participan investigadores del Instituto Balseiro dependiente de la UNCUYO y de la Comisión Nacional de Energía Atómica (CNEA), del CONICET y la CNEA del Centro Atómico Bariloche, y de la Universidad de Florida. Colaboran también investigadores de la empresa ExxonMobil Upstream Research Company.

Las corrientes de turbidez juegan un rol importante en el ciclo geoquímico global y en el ecosistema del suelo marino porque transportan grandes cantidades de carbono, nutrientes y agua dulce a través de los océanos. En su trabajo, los investigadores señalan la asociación de este tipo de fenómenos con la formación de depósitos de material orgánico y, luego de tiempos geológicos, de petróleo y gas.

A través de su investigación con simulaciones numéricas de alta complejidad, 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 de Argentina, cargados con material en suspensión.

Estas corrientes 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.

“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”, explicó Mariano Cantero, uno de los autores del artículo, que es ingeniero nuclear, doctor en Ingeniería, y actualmente director y profesor del Instituto Balseiro. Agregó, además que la estructura de tres capas con su funcionalidad es lo que posibilita que el flujo exista y pueda viajar cientos de kilómetros. 

Asimismo Canteró mencionó que esta anatomía particular de las corrientes es posible por 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.

Con su grupo, Canero lleva trabajando en el campo de la dinámica de fluidos hace casi 20 años.

¿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, dijo 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.

Asimismo detalló que las corrientes subcríticas que estudian presentan esa capa o interfaz sin turbulencia, denominada ‘lutoclina’, que aísla o protege a la corriente del entorno permitiéndole fluir sin disiparse.  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 principal”. 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”, comentó Pablo Minnini, profesor en el Departamento de Física de la Facultad de Ciencias Exactas y Naturales de la UBA e Investigador del CONICET.  No participó en esta investigación pero es referente internacional de mecánica de fluidos.

En ese sentido resaltó que 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. 

¿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, explicó Jorge Salinas.

“Los flujos turbulentos pueden describirse separándolos en dos partes inter-conectadas: la velocidad promedio y las pequeñas perturbaciones de la velocidad. Estas perturbaciones son las pequeñas desviaciones que le da la característica caótica a la turbulencia. Para mantener estas pequeñas perturbaciones se requiere consumir energía de la velocidad promedio”, expresó.

Sin embargo, en el caso de la capa intermedia de las corrientes de turbidez que reportan en el citado paper 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.

Por su parte, Santiago Zúñiga, estudiante doctoral del Balseiro que también integra el equipo, contó que 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”. 

Un interrogante que surge es si estudiar este tipo de corrientes podría ayudar a descubrir grandes de depósitos de hidrocarburos. En esa dirección, los científicos 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.

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, 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”, describió  Salinas.

¿Cuáles son los siguientes pasos?

Los investigadores destacan que quedan muchos interrogantes por responder, como por ejemplo cuál es el efecto de tener sedimento de diferentes tamaños en la corriente o cuál es el efecto de un cambio de pendiente abrupto. Además, para contrastar las observaciones con las simulaciones computacionales, buscarán realizar experimentos de laboratorio a grandes escalas.