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Mar 06, 2023

Largo

Informes científicos volumen 12,

Scientific Reports volumen 12, Número de artículo: 20549 (2022) Citar este artículo

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Las naciones en la costa del Golfo Arábigo/Pérsico son los usuarios más grandes del mundo de tecnologías de desalinización, que son esenciales para satisfacer sus necesidades de agua dulce. Se prevé que la producción de agua dulce desalinizada aumente rápidamente en las próximas décadas. Por lo tanto, se ha planteado la preocupación de que las actividades de desalinización puedan dar lugar a aumentos no despreciables de la salinidad a largo plazo en toda la cuenca, lo que tendría efectos perjudiciales generalizados en los ecosistemas marinos del Golfo, con efectos dominó en la pesca, así como un impacto en la desalinización. actividades mismas. Encontramos que la producción anual actual de agua dulce desalinizada asciende a aproximadamente el 2% de la evaporación neta anual del Golfo. Las proyecciones a 2050 elevan este valor al 8%, lo que abre la posibilidad de que, a finales de la segunda mitad del siglo, la producción de agua dulce desalada supere el 10% de la evaporación neta, cantidad comparable a las fluctuaciones interanuales de la evaporación neta. Con la ayuda de un modelo, examinamos varios escenarios climatológicos y descubrimos que, según los peores escenarios del SSP5-8.5 del IPCC, los aumentos de la temperatura del aire a finales de siglo pueden provocar aumentos de la salinidad comparables o mayores a los producidos por las actividades de desalinización. . El mismo escenario sugiere una evaporación reducida y un aumento de la precipitación, lo que tendría un efecto mitigador. Finalmente encontramos que, debido a una fuerte circulación de vuelco, las aguas de alta salinidad son arrastradas rápidamente a través del Estrecho de Ormuz. Por lo tanto, incluso en los peores escenarios, es poco probable que los aumentos de salinidad a escala de cuenca superen 1 psu y, bajo hipótesis menos extremas, probablemente permanecerán muy por debajo de 0,5 psu, niveles que tienen implicaciones ambientales insignificantes a escala de toda la cuenca.

La costa del Golfo Arábigo/Pérsico (en adelante, el "Golfo") es compartida por ocho naciones, muchas de las cuales han experimentado un rápido desarrollo económico en los últimos 30 años, acompañado de un crecimiento demográfico y una urbanización espectaculares. La disponibilidad abundante de recursos de agua dulce es una condición necesaria para sostener cualquier desarrollo. Dentro del Golfo, solo Irán e Irak pueden depender de los cursos de agua naturales para satisfacer sus necesidades de agua dulce. Por lo tanto, no sorprende que los países de la costa sur del Golfo hayan estado entre los primeros en adoptar las tecnologías de desalinización, que hoy suministran la mayor parte del agua dulce utilizada en la región del Golfo1.

( a ) Batimetría de la región del Golfo según el conjunto de datos GEBCO 2021. La elevación cero está marcada en azul claro, la isóbata de -30 m en azul oscuro. Las plantas de desalinización existentes y futuras (en construcción, aprobadas y planificadas para 2030) que inciden en el Golfo están marcadas, respectivamente, con círculos y marcadores hexagonales. El área del marcador es proporcional a la capacidad de desalinización de la planta. Las plantas a menos de ~10 km se representan como una sola planta con la capacidad combinada. (b) Capacidad de desalinización existente y futura por país. Se ha omitido Omán porque su capacidad de desalinización en el Golfo asciende a solo 5150 m\(^{3}\) día\(^{-1}\), sin planes de expansión. Datos de 2. Mapa producido con Python 3.10.6: https://www.python.org/.

A día de hoy, el 45 % de la producción mundial de desalinización de agua dulce se concentra en el Golfo, y la región alberga los complejos de plantas de desalinización más grandes del mundo3. La Figura 1 muestra la posición y la capacidad de producción de agua dulce asociada de todas las plantas desaladoras que están actualmente (marzo de 2022) en funcionamiento (es decir, 'plantas existentes') y de aquellas que se espera que estén en funcionamiento para 2030 ('plantas futuras' , incluidas las plantas en construcción, aprobadas o en proyecto).

Aunque la desalinización es fundamental para sustentar la vida y el bienestar en el Golfo4,5,6,7, se han planteado muchas preocupaciones en relación con sus impactos ambientales8,9,10,11,12,13. Los impactos locales incluyen el impacto y el arrastre de organismos marinos en la toma de agua y la descarga de salmueras calentadas, hipersalinas, químicamente contaminadas e hipóxicas (el principal subproducto de la desalinización) en los emisarios, lo que puede tener efectos negativos directos en la flora marina. y fauna La acción a escala local de las salmueras al aumentar la temperatura (para las plantas de destilación instantánea y multiefecto) y la salinidad (para todas las plantas) es bastante clara3,12,14. Por otro lado, la extensión de este fenómeno a escala de toda la cuenca, y su efecto sinérgico con el calentamiento y aumento de la salinidad debido al cambio climático, dependería de las características de la circulación de las masas de agua en la cuenca en cuyas orillas se encuentra la ocurren las plantas.

El golfo es un mar marginal poco profundo (profundidad media ~30 m) donde la evaporación supera la precipitación y la escorrentía de los ríos15. Conectado con el Océano Índico a través del estrecho de Ormuz ('Ormuz'), el golfo se caracteriza por una circulación estuarina inversa, donde aguas salinas y densas (39–40 psu) fluyen a través de la parte más profunda de Ormuz, y más ligeras, Aguas superficiales del Océano Índico más frescas ('IOSW', 36–37 psu) afluencia a niveles menos profundos16,17,18. El flujo de intercambio es relativamente débil en comparación con el de otras cuencas semi-sin salida al mar similares (p. ej., Mar Rojo, Mar Mediterráneo) y promedia alrededor de 0,15 Sv19. El Golfo ya experimenta condiciones ambientales extremas para un mar subtropical, con temperaturas que alcanzan los 36 \(^{\circ }\)C en verano y salinidades típicas de 42 psu en las aguas poco profundas del sur15,20. Por lo tanto, se debe abordar cuidadosamente la posibilidad de que las actividades de desalinización puedan resultar en aumentos de salinidad no despreciables en toda la cuenca, con impactos ambientales y económicos potencialmente negativos.

De hecho, la alta salinidad actual del Golfo ya se ha relacionado con una biodiversidad reducida de corales y equinodermos21,22,23,24 y un tamaño reducido en la madurez de los peces25. La reducción de tamaño está asociada con el mayor costo de la osmorregulación a mayor salinidad, lo que reduce la energía disponible para el crecimiento, la reproducción y el mantenimiento26. Fundamentalmente, la disminución del tamaño de los peces afectará la productividad de las pesquerías debido a la reducción de la fecundidad de los peces y la producción de biomasa27. Además, la salinidad del agua de alimentación es uno de los principales determinantes de los costes operativos de una planta desalinizadora, por lo que un aumento sustancial de la salinidad también afectaría negativamente a la viabilidad económica de la producción de agua dulce a través de la desalinización28,29.

Recientemente, varios estudios de modelado han intentado estimar el aumento de la salinidad a escalas espaciales de toda la cuenca debido a la desalinización dentro del Golfo13,30,31,32,33,34,35,36. Sin embargo, estos estudios solo consideran un número muy limitado de escenarios, enfocándose principalmente en cuantificar el exceso de salinidad debido a los volúmenes de desalinización actuales. No consideran los posibles efectos futuros del cambio climático, ni los probables incrementos en los volúmenes de desalinización, con la notable excepción de13 que extrapola tanto los volúmenes de desalinización como las condiciones climáticas a mediados del siglo XXI. Debido a su heterogeneidad, estos estudios no son fácilmente comparables y sus resultados difieren significativamente entre sí. Para la capacidad de desalinización actual, todos los estudios informan aumentos de salinidad inferiores a 0,5 psu, con la excepción del modelo analítico36 que predice una salinidad en todo el Golfo superior a 50 psu, y del modelo de circulación general13 que informa aumentos generalizados de salinidad superiores a 1 psu en las regiones de alta mar, y de 3 psu o más en las zonas costeras poco profundas. Ninguno de estos trabajos identifica mecanismos físicos específicos que favorezcan o dificulten la acumulación de salinidad. Algunos estudios reportan ligeros cambios en la circulación del Golfo33,35, sin embargo, debido al limitado intervalo de tiempo que abarcan sus simulaciones, no pudieron desentrañar la contribución relativa de la descarga de la planta desalinizadora y la de la variabilidad interanual natural de salinidad.

Esquema conceptual del modelo de caja (ver "Métodos" para las ecuaciones del modelo). Los flujos de volumen (\(q_{I}\), \(q_{H}\), \(q_{OD}\)) entre las cajas del Océano Índico, la costa, la costa y las profundidades son impulsados ​​por las diferencias de densidad entre las masas de agua en casillas adyacentes. Las cajas costeras y marinas están sujetas a evaporación e intercambios de calor con la atmósfera. El flujo \(q_{H}\) cuantifica el intercambio de agua entre el Océano Índico y el Golfo a través del Estrecho de Ormuz.

De manera más general, la literatura existente ha prestado poca atención a la identificación de puntos de referencia simples y utilizables para medir el tamaño de los flujos de desalinización, con el fin de lograr una imagen cualitativa que pueda guiar un análisis cuantitativo posterior. Una estimación de la producción de desalinización de agua dulce en el Golfo (p. ej., Fig. 1) tiene relevancia económica y sociológica, pero su valor absoluto transmite poca información ambiental a menos que se contraste con un término de comparación significativo. Un indicador cualitativo que se aplica a cualquier liberación de sustancias en el agua es la relación entre los tiempos de lavado asociados con la liberación de sustancias (por desalinización, en nuestro caso) y con la eliminación de sustancias (por transporte a través de Ormuz). Observamos además que tanto la desalinización como la evaporación tienen efectos similares (atraen agua dulce, dejando masa de sal marina, lo que aumenta la salinidad del mar), con la única diferencia de que la primera es un proceso antropogénico, que ocurre exclusivamente en tierra, mientras que la segunda es un proceso natural que ocurre tanto en tierra como en alta mar. Dado que la salinidad del Golfo está determinada principalmente por el equilibrio entre la evaporación y la entrada de aguas más dulces a través del Estrecho de Ormuz16, la evaporación neta (es decir, la evaporación menos la precipitación), así como la magnitud de su variabilidad interanual natural, parecen ser los términos naturales de comparación para el tamaño de los flujos de desalinización.

Nuestro análisis cuantitativo no intenta un pronóstico detallado del futuro. Más bien, su objetivo es separar lo plausible de lo inverosímil y arrojar luz sobre los procesos físicos primarios que favorecen o dificultan la acumulación de salinidad a gran escala. Con este fin, nos basamos en un modelo simple para representar la circulación de vuelco del Golfo. Esto nos permite identificar un rango creíble de variabilidad para futuros cambios de salinidad en el Golfo, al explorar varios escenarios. En particular, exploramos los efectos, individualmente o combinados, de un incremento climatológico en la temperatura y de un incremento o disminución climatológica en la evaporación. Además, también formulamos escenarios basados ​​en mecanismos hipotéticos que regulan el flujo a través del Estrecho de Ormuz. Dentro de cada escenario, examinamos un amplio intervalo de volúmenes de producción de agua dulce desalinizada, que incluye los volúmenes actuales, las estimaciones para 2030 y las proyecciones para 2050. El volumen más alto que consideramos es de 120 millones de m\(^{3}\) día\( ^{-1}\), que está por encima de cualquier proyección futura conocida, pero es tecnológicamente alcanzable.

Nuestro modelo utiliza una partición idealizada del Golfo en tres recuadros (Fig. 2): uno costero, que representa las aguas desde la costa hasta la isóbata de −30 m; una costa afuera, para las aguas más allá de la isóbata de − 30 m desde la superficie hasta − 30 m de profundidad; una profunda, para las aguas de alta mar por debajo de −30 m de profundidad (la Fig. 1 muestra la isóbata de −30 m37). El modelo trata las cajas como homogéneas e interconectadas. El recuadro costero también da cuenta, de forma agregada, de la contribución de las zonas costeras hipersalinas como el golfo de Salawah y las lagunas de Abu Dabi, sin, sin embargo, resolverlas explícitamente. Las cajas profundas y mar adentro están en comunicación con un embalse que representa las aguas superficiales del Océano Índico. Los flujos de volumen son impulsados ​​por las diferencias de densidad del agua de mar en las cajas adyacentes. Los flujos de calor y evaporación se prescriben en la superficie. Esta técnica de modelado sigue el trabajo seminal de Stommel sobre la circulación de vuelco del Atlántico38 y se ha establecido como un enfoque excelente para los estudios exploratorios de la circulación de vuelco termohalina, también cuando se incluyen retroalimentaciones atmosféricas39,40,41,42. El enfoque del modelo de caja permite tratar la entrada de salmuera de las plantas desalinizadoras como una extracción de agua dulce, similar a la evaporación. El único parámetro relevante para el modelo es, por tanto, el volumen total de agua desalada producida en la unidad de tiempo. Esto hace que los resultados del modelo sean independientes de la tecnología de desalinización particular que se esté utilizando y, en particular, de la relación salmuera/agua dulce específica de cada planta. Consulte "Métodos", a continuación, para obtener más detalles y las ecuaciones del modelo.

La evaporación de las aguas del Golfo alcanza un mínimo en marzo-abril y sube lentamente hasta un máximo en noviembre43,44. El flujo de evaporación neto promedio mensual sobre el Golfo en los años 1979–2021 se muestra en la Fig. 3 (datos del reanálisis ERA545). En promedio, en el mínimo anual, la evaporación neta está ligeramente por encima de los 500 millones de m\(^{3}\) día\(^{-1}\), y en el máximo anual casi alcanza los 1500 millones de m\(^{ 3}\) día\(^{-1}\). La evaporación neta promedio diaria durante el intervalo de tiempo 1979-2021 es de 1000 millones de m\(^{3}\) día\(^{-1}\). Esta cantidad es compatible con las estimaciones obtenidas de la medida de los flujos volumétricos a través del Estrecho de Ormuz (\(1105\pm 270\) millones de m\(^{3}\) día\(^{-1}\)19 , datos de diciembre de 1996 a marzo de 1998). El ciclo estacional de evaporación neta muestra una variabilidad interanual sustancial (Fig. 3). A menudo se observan fluctuaciones de varios cientos de millones de m\(^{3}\) día\(^{-1}\) por encima o por debajo del valor medio mensual, en particular en otoño e invierno. La fase del ciclo está determinada solo parcialmente por la precipitación invernal (que, en promedio, alcanza su máximo en diciembre y enero, con un flujo de 250 millones de m\(^{3}\) día\(^{-1} \)), y se ve afectado principalmente por los vientos y por la diferencia de temperatura entre el mar y el aire, siendo el mar generalmente más frío que el aire a fines del invierno y más cálido que el aire (por lo tanto, más sujeto a la evaporación) en otoño15, dieciséis.

Flujos mensuales promedio de evaporación neta (evaporación menos precipitación) sobre el Golfo. La línea roja gruesa es el promedio durante el intervalo de tiempo 1979–2021. Las líneas grises finas se refieren a los años individuales (el color más oscuro corresponde al año anterior). El eje izquierdo informa el flujo en millones de metros cúbicos por día, el eje derecho informa el mismo flujo en Sverdrup (1 Sv = un millón de metros cúbicos por segundo). Datos del reanálisis ERA5.

Evaporación neta promedio anual (línea continua azul, eje izquierdo) y velocidad del viento promedio anual (línea continua naranja, eje derecho) sobre el Golfo. Las líneas discontinuas muestran el ajuste lineal de mínimos cuadrados a los datos. Los recuadros informan la tendencia (pendiente del ajuste lineal) y el valor p asociado con respecto a la hipótesis nula de tendencia cero. También se informa el coeficiente de correlación de Pearson de las series temporales de evaporación y viento y su valor p con respecto a la hipótesis nula de no correlación. Datos del reanálisis ERA545.

La Figura 4 muestra la evaporación neta media anual del Golfo y la velocidad del viento. La evaporación neta muestra fluctuaciones interanuales de ±10% alrededor de su valor medio. El viento muestra una tendencia a la baja débil, pero significativa (\(p<0.05\)); la tendencia de la evaporación neta no es estadísticamente significativa. Las dos cantidades están significativamente correlacionadas (\(r=0.41,\,p<0.01\)) lo que confirma que los cambios en la velocidad del viento afectan fuertemente la evaporación en el Golfo46,47. (Omitiendo la precipitación, la correlación del viento y la evaporación por sí sola aumenta a \(r=0,57,\,p=0,0001\); la evaporación por sí sola tampoco muestra una tendencia significativa).

La estimación actual de la producción de agua desalada en el Golfo es de 22,6 millones de m\(^{3}\) día\(^{-1}\)2 lo que equivale al 2,3% del flujo de evaporación neto diario promedio en el período 1979 –2021. Incluyendo todas las futuras plantas conocidas (Fig. 1) la capacidad de desalinización crece hasta los 39,5 millones de m\(^{3}\) día\(^{-1}\), es decir, el 4% del flujo de evaporación neta media . Esta debería ser una evaluación bastante precisa de los flujos de desalinización alrededor de 2030. Se proyecta que para 2050 la capacidad de desalinización puede alcanzar los 80 millones de m\(^{3}\) día\(^{-1}\)13. Por tanto, la posibilidad de que durante la segunda mitad del siglo XXI los flujos de desalinización alcancen, y posiblemente superen, el 10% de los flujos de evaporación debe considerarse como una hipótesis plausible.

Es útil notar que el área de la superficie costera de la isóbata de -30 m es el 58% del área total del Golfo. Por lo tanto, actualmente la desalinización extrae de la región costera un volumen de agua dulce equivalente a aproximadamente el 4 % del extraído por evaporación neta y esta cantidad crecerá hasta alrededor del 7 %, incluida la capacidad futura (hasta 2030). Posteriormente, durante la segunda mitad del siglo XXI, la extracción de agua dulce puede superar el 15% de los flujos de evaporación costeros. En resumen, los flujos de desalinización actuales se ven eclipsados ​​por las fluctuaciones mensuales de la evaporación neta (Fig. 3), pero pueden volverse comparables con las fluctuaciones interanuales actuales de la evaporación neta (Fig. 4) en la segunda mitad del siglo XXI. Los escenarios analizados en el sexto informe de evaluación del IPCC (AR6)48 muestran una tendencia continua a la baja en la velocidad del viento (Tabla 1), que en el escenario extremo SSP5-8.5 coincide con la observada en la Fig. 4, y es menos rápida en el escenario de sostenibilidad SSP1-2.6. La disminución de los vientos puede provocar una disminución de la evaporación, y el aumento previsto (aunque muy incierto) de las precipitaciones puede reducir aún más la evaporación neta. Si bien estos efectos contrarrestarían los flujos de desalinización, el modelo de caja (abajo) revela que el mayor impacto del cambio climático en la salinidad puede provenir del aumento proyectado en la temperatura del aire.

El volumen de agua en la costa de la isóbata de −30 m es de unos 1900 mil millones de m\(^{3}\), y asciende al 24% del volumen total del Golfo37. A la capacidad actual, la captación total de agua dulce de la desalinización en un año es aproximadamente el 0,4 % del volumen costero, y si la captación aumentara a 120 millones de m\(^{3}\) día\(^{-1}\), superaría el 2% de la misma. Por lo tanto, la desalinización está asociada con una escala de tiempo que va desde 250 años en las condiciones actuales hasta menos de 50 años si la desalinización alcanza el extremo más alto de producción de agua dulce considerado aquí (120 millones de m\(^{3}\) día\(^{-1 }\), que supera las proyecciones actuales para 205013). Esta escala de tiempo debe compararse con las escalas de tiempo típicas del intercambio de agua a través del Estrecho de Ormuz. El tiempo de lavado se define como la relación entre el volumen de un cuerpo de agua sobre la magnitud de sus flujos de intercambio. El Golfo tiene un volumen de 7900 mil millones de m\(^{3}\), e intercambia aproximadamente 0,15 Sv con el Océano Índico a través de Ormuz19 (1 Sv = 1 millón de m\(^{3}\)s\(^{ -1}\)). Esto conduce a un tiempo estimado de lavado en todo el golfo de alrededor de 1,7 años. Una cantidad relacionada es el tiempo de residencia, definido como el tiempo promedio necesario para que una parcela de agua partiendo de una ubicación inicial prescrita abandone el cuerpo de agua. No tenemos conocimiento de ninguna medición directa de los tiempos de residencia (por ejemplo, a través de flotadores) en el Golfo, por lo que nos referimos a los resultados del modelo49. En las aguas poco profundas frente a la costa de los EAU, se estima que el tiempo de residencia es inferior a dos años. Este tiempo aumenta a tres años solo para parcelas de agua que comienzan en la bahía de Kuwait. Incluso se estima que el agua del golfo de Bahrein llegará a Ormuz en menos de 2,5 años. Para las parcelas de agua que comienzan frente a la costa de la isóbata de -30 m, se estima que el tiempo de residencia oscila entre tres meses y un año, excepto en los puntos de partida en las inmediaciones de Ormuz, que pueden tener tiempos de residencia inferiores a un mes.

Estos resultados cualitativos sugieren que el impacto de los flujos de desalinización en el balance de salinidad de todo el Golfo puede ser indetectable en las condiciones actuales, pero puede volverse medible en algunos escenarios futuros.

Variaciones medias anuales respecto al escenario base (clima actual sin desalación) en función de los flujos de desalación. Los paneles muestran el cambio de salinidad en los recuadros costeros (a), mar adentro (b) y profundos (c). Los cambios de temperatura en la caja profunda se muestran en el panel (d). Los paneles (e) y (f) muestran, respectivamente, cambios en el flujo de salida desde la costa hacia la caja profunda ya través de Ormuz. Las líneas grises verticales marcan los flujos de desalación actuales (continuos), los flujos de desalación esperados para 2030 (discontinuos) y los flujos de desalinización proyectados por AGEDI en 2050 (puntos).

La ejecución de un modelo de referencia tiene como objetivo reproducir las condiciones actuales sin desalinización (consulte "Métodos" para obtener detalles, parámetros y validación). Se han desarrollado ocho escenarios, basados ​​en hipótesis que involucran la dinámica del flujo de salida de Ormuz y los fenómenos relacionados con el cambio climático. A continuación, se cuantifica el cambio en las cantidades clave con respecto a la línea de base en función de los flujos de desalinización (Fig. 5).

El escenario "predeterminado" asume un clima actual constante. La salinidad en las cajas costeras y profundas aumenta, respectivamente, en 0,4 psu y 0,2 psu cuando los flujos de desalinización alcanzan los 120 m\(^{3}\) día\(^{-1}\). Esto va acompañado de una disminución de la salinidad en la caja de alta mar. Esto se explica por el aumento del 7 % del flujo de salida \(q_{H}\) a través de Ormuz (fuera de la caja profunda, véase la Fig. 2), que en la superficie se corresponde con un flujo de entrada de un volumen igual de agua más fresca desde el Océano Índico a la caja en alta mar.

Se ha sugerido que el flujo de salida de Ormuz puede estar, al menos parcialmente, controlado hidráulicamente19, es decir, estar en un estado en el que el caudal no esté determinado únicamente por los gradientes de densidad aguas abajo, sino también por la topografía del Estrecho50. Aunque no se ha confirmado el control hidráulico del golfo, es interesante formular un escenario de "flujo de salida fijo", donde el flujo de salida de Ormuz se mantiene constante y, por lo tanto, no se ve afectado por ningún cambio de salinidad o densidad debido a las actividades de desalinización. En este escenario, la salinidad en la caja costera aumenta 1,6 veces más que en el escenario predeterminado y, en la caja profunda, la salinidad aumenta dos veces más que en el escenario predeterminado. Debido a que la entrada del Océano Índico es fija, la salinidad de la caja en alta mar no cambia.

Un esfuerzo reciente de modelado de la circulación oceánica regional, en un escenario climático futuro para el Golfo, informa de una salida profunda levemente menor asociada con un aumento en la densidad del agua profunda en la parte central del Golfo51. El estudio no intenta identificar un mecanismo plausible que provoque esta relación inversa inesperada entre la densidad y los flujos volumétricos. Sin embargo, decidimos formular un escenario de "flujo de salida decreciente" en el que se prescribe que el flujo de salida de Ormuz disminuya con el aumento de los flujos de desalinización, hasta una reducción del 15 % con respecto a los valores actuales para flujos de desalinización de 120 m\(^{3} \) día\(^{-1}\). No es sorprendente que este escenario produzca el aumento más rápido de la salinidad en las cajas costeras y profundas, superando el aumento de salinidad de 1 psu con respecto a la línea base en el extremo más alto del rango de desalinización. Este es también el único escenario en el que aumenta la salinidad de la caja marina.

Los siguientes dos escenarios, "evaporación baja" y "evaporación alta" utilizan los parámetros de referencia, pero la evaporación neta promedio anual disminuye y aumenta, respectivamente, en un 5 %. Una disminución del 5% en la evaporación neta correspondería a extrapolar la tendencia de la Fig. 4 a finales de siglo, y es coherente con las proyecciones del IPCC SSP5-8.5 CMIP6 (Tabla 1). En ambos casos, el modelo muestra una respuesta a la desalación análoga a la del escenario por defecto, pero compensada en el sentido de la mitigación de los efectos de la desalación en el caso de baja evaporación, y en el sentido contrario para la alta evaporación.

Las proyecciones del IPCC sin reducciones sustanciales de emisiones también sugieren un fuerte calentamiento atmosférico sobre el Golfo. Por lo tanto, tenemos un escenario de "alta temperatura" que utiliza los parámetros de referencia, excepto la temperatura media anual del aire, que se incrementa en 5 \(^{\circ }\)C. Las altas temperaturas del aire se propagan desde las cajas costeras y marinas hacia las profundas, que se calientan más de 4 \(^{\circ }\)C. Esto, a su vez, reduce la diferencia de densidad entre las aguas más profundas del Golfo y el IOSW, lo que provoca una reducción del flujo de salida a través del estrecho. Entonces, la salinidad puede acumularse en la caja costera y profunda más fácilmente que en el escenario predeterminado, alcanzando un aumento de 0,9 psu con respecto a la ejecución de referencia.

El escenario de alta temperatura se modifica aún más en los escenarios de "baja evaporación, alta temperatura" y "alta evaporación, alta temperatura", al acompañar el aumento de temperatura con una disminución y un aumento del 5% (respectivamente) de la evaporación neta promedio anual. Los resultados de estos dos escenarios se extienden a ambos lados de los resultados de alta temperatura. Como antes, una disminución en la evaporación neta mitiga los efectos de la desalinización y un aumento los intensifica.

En la ejecución de línea de base, y en todas las ejecuciones de escenarios, los flujos de volumen van desde la caja de alta mar a la de bajura, y de la de bajura a la de profundidad, así como del embalse del Océano Índico a la caja de alta mar, y de esta en la caja profunda y de regreso al embalse del Océano Índico. Es decir, las diferencias de densidad entre las cajas siempre empujan el flujo en la dirección de las flechas de la Fig. 2, aunque esto no lo impone en modo alguno el modelo, que permitiría flujos en direcciones opuestas, si las diferencias de densidad fueran tan altas. dictado.

La desalinización es una fuente insustituible de agua dulce para muchos países del Golfo Pérsico/Arábigo. En esta región, la desalinización se ha incrementado a niveles que no se alcanzan en ningún otro lugar. En la actualidad, la producción de agua dulce de las plantas que extraen agua del Golfo supera el 2 % del agua dulce extraída del Golfo por los flujos netos de evaporación. En la segunda mitad de este siglo, esta cantidad puede aumentar más allá del 10% de la evaporación neta. Estos son niveles asombrosos que suscitan preguntas legítimas sobre la sostenibilidad de las actividades de desalinización.

En este artículo nos enfocamos en la posibilidad de acumulaciones de salinidad en el Golfo, y especialmente en sus regiones menos profundas (costa adentro de la isóbata de -30 m). No discutimos lo que puede suceder a corto plazo y en las inmediaciones de una gran planta desalinizadora, un tema que ya ha llamado mucho la atención en la literatura, pero examinamos los efectos a largo plazo en toda la cuenca con ocho escenarios que combinan una amplia gama de flujos de desalinización con hipótesis específicas sobre la evolución futura del clima regional y la naturaleza dinámica de la circulación de vuelco en el Golfo. Con este fin, evitamos el uso de modelos de circulación general completos. Estudios previos, revisados ​​en la introducción, obtuvieron resultados contrastantes y progresaron poco en dilucidar las cadenas mecánicas de causas y efectos que produjeron los aumentos de salinidad informados (o la falta de los mismos). Aquí, usamos un modelo de caja desarrollado específicamente para representar la circulación de vuelco del Golfo. Esto nos permite identificar los límites de lo que debe tomarse como posible y realista, e identificar las condiciones externas y las cadenas internas de eventos que producen un resultado determinado.

Nuestro principal hallazgo es que la salinidad del Golfo está crucialmente relacionada con el desbordamiento profundo a través del Estrecho de Ormuz. Esta puede no ser una conclusión sorprendente, dada la geografía del Golfo, pero no conocemos otros estudios que establezcan claramente este vínculo y exploren sus consecuencias. Se estima que el aumento de la salinidad en la costa de la isóbata de -30 m directamente debido a la desalinización no supera los 0,4 psu, incluso en el extremo más alto de la producción de agua dulce por desalinización que consideramos, y que supera con creces las proyecciones para 2050. flujos diarios de desalinización el aumento es inferior a 0,1 psu, cantidad que es prácticamente indetectable. Los aumentos de salinidad impulsados ​​por la desalinización por encima de 1 psu pueden lograrse solo bajo la hipótesis de que el flujo de salida de Ormuz disminuye con el aumento del gradiente de salinidad a través de Ormuz. Los autores no tienen conocimiento de ninguna evidencia (teórica u observacional) que pueda respaldar la presencia de tal relación inversa en el Golfo. El aumento limitado de la salinidad predicho por el modelo es coherente con el hecho de que el tiempo de lavado del Golfo (la principal escala de tiempo de respuesta a los forzamientos de evaporación o desalinización) es de solo 1,7 años. Así, en las condiciones actuales, el Golfo responde a forzamientos en una escala de tiempo comparable a la de la variabilidad interanual de la evaporación neta. Por lo tanto, no es de extrañar que un forzamiento constante debido a la desalinización, con una intensidad comparable a las fluctuaciones interanuales de la evaporación (alrededor del 10% de la evaporación neta total) produzca un aumento de salinidad comparable con las fluctuaciones interanuales de salinidad observadas18. Además, los aumentos constantes de la salinidad (p. ej., por desalinización) conducen a aumentos del flujo a través del Estrecho de Ormuz, lo que acorta el tiempo de lavado. Esta retroalimentación negativa limita aún más el efecto de la desalinización sobre la salinidad.

Un segundo factor importante es el calentamiento del aire debido al cambio climático. La vigorosa circulación de vuelco impulsada por la densidad del Golfo lleva rápidamente las aguas costeras ventiladas a la parte más profunda de la cuenca, donde son expulsadas del Golfo a través del Estrecho de Ormuz16,52. El modelo muestra que incluso el calentamiento extremo que ocurre en el escenario SSP5-8.5 no es suficiente para compensar la formación de agua densa en las regiones menos profundas del Golfo, que, incluso en ese escenario, se hunde en la parte más profunda del Golfo. Este proceso transmite rápidamente a las aguas profundas del Golfo cualquier tendencia de calentamiento atmosférico regional, lo que lleva a una situación en la que las aguas profundas del Golfo son sustancialmente más ligeras que en las condiciones actuales. Esto reduce el gradiente de densidad a través de Ormuz y, por lo tanto, el volumen de la salida profunda. Por lo tanto, el calentamiento atmosférico facilita la acumulación de salinidad. Sin embargo, incluso cuando va acompañada de un aumento del 5 % en la evaporación neta, en el modelo esta acumulación está contenida dentro de 1 psu, incluso para los niveles más altos de desalinización. Es necesario tener cuidado al interpretar los resultados de estos escenarios, porque en el modelo de caja la descripción de la estratificación en la parte más profunda del Golfo es extremadamente aproximada, siendo aproximada por dos masas de agua homogéneas de volumen fijo (la "profunda" y la "costa afuera"). "cajas), apiladas una encima de la otra. Los detalles cuantitativos de nuestros hallazgos se verificarán con un modelo realista de circulación oceánica. Sin embargo, tanto nuestro modelo como las observaciones disponibles16 sugieren que la circulación de vuelco está impulsada por procesos que ocurren en áreas costeras poco profundas (la caja "bajura"), donde la hipótesis de homogeneidad vertical parece ser razonable. Por lo tanto, confiamos en que modelos más realistas, incluso en un escenario de cambio climático, mostrarían cualitativamente la misma dinámica que el modelo actual.

Debemos enfatizar que la discusión anterior se basa en el escenario climático SSP5-8.5 del IPCC, que es muy pesimista y es poco probable que refleje lo que realmente sucederá53. Por lo tanto, nuestros escenarios de cambio climático identifican los límites superiores, en lugar de los valores más probables, para futuros aumentos de salinidad en el Golfo. Además, en nuestros escenarios se supone que el IOSW no se calienta, lo que exagera la reducción del gradiente de densidad a través de Ormuz. Finalmente, para un escenario tan extremo, el IPCC proyecta una disminución en la velocidad del viento sobre el Golfo y, posiblemente, un aumento en la precipitación (Tabla 1), lo que, a su vez, se traduciría en una reducción de la evaporación neta, lo que mitigaría un poco la efecto del calor sobre la salinidad, como en el escenario "baja evaporación, alta temperatura".

Una posible fuente de incertidumbre en nuestras estimaciones se debe a la denominada agua producida. Se trata de agua salina extraída de pozos de petróleo y gas junto con los hidrocarburos. Se separa in situ y luego se vuelve a inyectar en el pozo o se purifica y se libera en el mar. No tenemos conocimiento de ningún dato publicado sobre el agua producida en el Golfo, ni de su salinidad. Sin embargo, se estima54 que el flujo anual mundial de agua producida hacia los océanos es de unos 700 millones de m\(^3\). Esto corresponde a una descarga global de unos 2 millones de m\(^3\)/día, equivalente a una sola planta desalinizadora muy grande. Por lo tanto, asumimos que el impacto del agua producida de los pozos de petróleo en la salinidad del Golfo es una contribución menor con respecto al impacto total de las plantas desaladoras, aunque se necesitan más datos para afirmar esta hipótesis.

Las aguas del Golfo ya se caracterizan por una alta variabilidad estacional e interanual en la salinidad15,18, por lo tanto, es poco probable que el aumento esperado de salinidad de 1 psu pronosticado por nuestro peor escenario (es decir, 'flujo de salida decreciente') tenga un impacto significativo en las aguas marinas del Golfo. vida. De hecho, la flora y la fauna que habitan actualmente en el Golfo representan un subconjunto de la biota del Océano Índico occidental55 y ya están adaptadas para soportar temperaturas y salinidades extremas y grandes fluctuaciones intra e interanuales56,57. Obviamente, nuestra declaración de que, incluso en un escenario de cambio climático extremo, la salinidad en todo el golfo no aumentará a niveles alarmantes, no debe interpretarse como una afirmación de que esos escenarios no tendrían un impacto en la biogeoquímica y la ecología del Golfo. Por ejemplo, ya en las condiciones actuales hay evidencia creciente de la ocurrencia de hipoxia, estacionalmente en la parte más profunda del Golfo58 y ocasionalmente en arrecifes costeros poco profundos59. El calentamiento de la parte más profunda del Golfo sugerido por el modelo también genera preocupación. Además, los impactos del aumento de la salinidad asociados con las descargas de salmuera se han informado en otros lugares para los corales60, los pastos marinos61,62,63 y los peces64, mientras que los datos empíricos de las especies del Golfo aún faltan casi por completo, aunque la hipersalinidad se ha asociado con una diversidad reducida de corales y equinodermos ( estrellas de mar, erizos y parientes) en el Golfo21,22,23,24. La salinidad, de hecho, puede desempeñar un papel importante en la estructuración de la biodiversidad del Golfo, y ya se han informado algunos efectos contrastantes en diferentes organismos. En los peces, por ejemplo, los aumentos de salinidad y la variación de la salinidad se identificaron como una de las causas potenciales que determinan el enanismo en las poblaciones del Golfo, lo que sugiere aumentos potenciales en los costos de osmorregulación y una menor disponibilidad de energía asociada para el crecimiento, lo que eventualmente conducirá a una reducción de la fecundidad de la población, reposición y longevidad. -persistencia del término25. Por otro lado, en los corales pétreos y las anémonas de mar, la alta salinidad del Golfo se ha relacionado con una mayor termotolerancia y una menor susceptibilidad a la decoloración, lo que sugiere un vínculo potencialmente importante entre la osmoadaptación a las altas salinidades y la tolerancia al estrés térmico65,66,67. Por lo tanto, se necesitan con urgencia más estudios para aclarar completamente cómo la interacción mutua de alta salinidad, altas temperaturas y sus grandes fluctuaciones, impulsa o afecta de otro modo las adaptaciones fisiológicas únicas que dan forma a los diversos ecosistemas marinos del Golfo, tanto en las condiciones actuales como en futuros escenarios de modelado. .

En resumen, encontramos que para que la salinidad en la costa de la isóbata −30 aumente sustancialmente por encima de 1 psu para fines de este siglo, se requeriría la acción de procesos físicos aún desconocidos. Por el contrario, a menos que la temperatura del aire aumente tanto como en el escenario IPCC SSP5-8.5, es razonable esperar que los aumentos de salinidad se contengan dentro de 0.5 psu, un valor comparable con las fluctuaciones estacionales y de un año a otro. Es poco probable que este aumento contenido de la salinidad afecte directamente a la vida marina, sin embargo, puede desempeñar un papel contribuyente en una red entrelazada de impulsores físicos y respuestas ecológicas cuya comprensión es necesaria para identificar adecuadamente las vulnerabilidades sobresalientes y proponer estrategias de mitigación significativas.

Nuestro modelo de caja divide las aguas del Golfo en tres cajas idealizadas y homogéneas (Fig. 2): costera, que representa las aguas entre la línea de costa y la isóbata de -30 m, costa afuera, que representa las aguas frente a la costa de la isóbata de -30 m desde la superficie hacia abajo hasta − 30 m de profundidad, y profundo, que representa las aguas de alta mar por debajo de − 30 m de profundidad. Existen dos regiones dinámicamente distintas en el Golfo: una más profunda dominada desde la primavera hasta el otoño por vigorosos vórtices de mesoescala, y una poco profunda dominada por mareas y corrientes impulsadas por la densidad15,18,49,68,69. La isóbata de −30 m parece ser un umbral de separación razonable entre las dos regiones18,68 y, por lo tanto, la elegimos para definir las cajas. Las diferencias de densidad impulsan los flujos de volumen entre las tres cajas. Las cajas en alta mar y profundas también están en contacto con las aguas superficiales del Océano Índico (IOSW), que, por simplicidad, se modelan como un depósito de agua infinito a temperatura y salinidad constantes. La temperatura de las cajas marinas y costeras se relaja a la temperatura del aire, según un ciclo estacional70. Los flujos de evaporación y precipitación se prescriben para que coincidan con la media, la amplitud y la fase del ciclo estacional que se muestra en la Fig. 3. En el cuadro costero, también se prescriben los flujos de desalinización y se utilizan como parámetro de control. Las ecuaciones del modelo son:

donde \(T_{I}\), \(T_{O}\), \(T_{D}\), \(S_{I}\), \(S_{O}\), \(S_{ D}\) son funciones del tiempo y representan, respectivamente, las temperaturas y salinidades de las cajas costeras, marinas y profundas. H es la función escalón de Heaviside (cuyo valor es uno para argumentos positivos y cero en caso contrario). Los flujos volumétricos \(q_{I}\), \(q_{OD}\), \(q_{H}\) se definen como

Se toman como positivas en la dirección de las flechas en la Fig. 2. Usamos una ecuación de estado lineal para las densidades \(\rho _{i}=\rho _{ref}(1-\alpha T_{i} +\beta T_{i})\) para \(i\in \{I,D,IOSW\}\). Nuestras elecciones de las expresiones para \(q_{I}\) y \(q_{H}\) están respaldadas por evidencia observacional de que los flujos de volumen en el Golfo son impulsados ​​por diferencias de densidad en el fondo16. La expresión para \(q_{OD}\) está dictada entonces por la conservación del volumen. En dos de los ocho escenarios discutidos anteriormente, el flujo \(q_{H}\) a través del Estrecho de Ormuz es impuesto externamente y no depende de la diferencia de densidad a través del Estrecho. En el escenario de "flujo de salida fijo", el flujo se mantiene constante: \(q_{H}=0.152\) Sv. En el escenario de "salida decreciente", el flujo disminuye linealmente con los flujos de desalinización según \(q_{H}=0.152(1-1.25\cdot 10^{-3}D)\). La evaporación neta \(E_{net}\) y la temperatura atmosférica de referencia \(T^{*}\) son funciones del tiempo definidas como:

donde Y es la duración de un año, \(\phi _{net}\) se elige para tener la máxima evaporación a mediados de octubre, \(\phi ^{*}\) se elige para tener la temperatura máxima del aire a mediados de Julio. Las otras constantes que aparecen en todas las ecuaciones anteriores se definen en la Tabla 2, junto con su valor y referencias de apoyo. Un modelo de referencia ejecutado con los valores de los parámetros de la Tabla 2, después de un transitorio inicial, produce salinidades promedio anuales de 41,8 psu, 37,7 psu, 39,5 psu, respectivamente, para las cajas costeras, marinas y profundas. Tanto la caja costera como la profunda presentan fluctuaciones anuales de 0,8 psu. La salinidad en la caja marina fluctúa en 0,4 psu. La densidad en la caja costera varía de 1028,2 kg m\(^{-1}\) (alcanzado en agosto) a 1030,7 kg m\(^{-1}\)(alcanzado en febrero); la densidad en la caja costa afuera varía de 1025,1 kg m\(^{-1}\)(agosto) a 1027,4 kg m\(^{-1}\)(febrero); la densidad en la caja profunda varía de 1027,3 kg m\(^{-1}\)(octubre) a 1028,3 kg m\(^{-1}\)(abril). El caudal simulado \(q_{H}\) a través del Estrecho de Ormuz tiene una media anual de 0,152 Sv, con fluctuaciones estacionales de \(\pm 0,048\) Sv. A pesar de la naturaleza simplificada del modelo y de su cruda representación de la estratificación vertical, estos valores son coherentes con los valores observados15,16 (en particular, ver Figs. 7a–d, 8 en Swift & Bower). El modelo arroja un flujo \(q_{I}\) desde la zona costera hasta la caja profunda que varía de 0,025 Sv (julio) a 0,11 Sv (enero), lo que concuerda muy bien con las simulaciones OGCM de Al-Shehhi et al. .52 (ver su Fig. 10). Cada escenario, excepto el "predeterminado", modifica algunos de los parámetros de la Tabla 2 como se especifica en la sección "resultados". Para cada escenario, el flujo de desalinización varía en el rango \(0-120\cdot 10^{6}\) m\(^{3}\) día\(^{-1}\). En cada nivel de desalinización se ejecuta la simulación hasta obtener un ciclo anual estacionario. El cambio en el promedio anual desde la línea de base se muestra en la Fig. 5.

El software del modelo de caja está disponible públicamente en https://doi.org/10.5281/zenodo.6519835. Los datos de reanálisis de ERA5 están disponibles públicamente en el depósito de datos de Copernicus en https://cds.climate.copernicus.eu/cdsapp#/dataset/reanalysis-era5-single-levels?tab=overview. Los datos de capacidad de desalinización que se muestran en la Fig. 1 son propiedad de DesalData https://www.desaldata.com. Se aplican restricciones a la disponibilidad de estos datos, que se usaron bajo licencia para el estudio actual y, por lo tanto, no están disponibles públicamente. Sin embargo, los datos están disponibles a través de los autores previa solicitud razonable y con el permiso de DesalData.

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Este proyecto fue financiado por Tamkeen bajo el premio CG007 del NYU Abu Dhabi Research Institute para el Centro de Investigación del Agua (Burt, D'Agostino), el premio CG009 para el Centro Árabe para el Cambio Climático y las Ciencias Ambientales (Burt, Paparella) y el premio CG002 para el Centro de Estabilidad, Inestabilidad y Turbulencia (Paparella). Este apoyo financiero se reconoce con gratitud.

División de Ciencias, Universidad de Nueva York Abu Dhabi, Abu Dhabi, Emiratos Árabes Unidos

Francesco Paparella y John A. Burt

Centro Árabe para el Clima y las Ciencias Ambientales, Universidad de Nueva York Abu Dhabi, Abu Dhabi, Emiratos Árabes Unidos

Francesco Paparella y John A. Burt

Water Research Center, New York University Abu Dhabi, Abu Dhabi, Emiratos Árabes Unidos

Daniele D'Agostino y John A. Burt

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FP, JAB: diseño del estudio. FP: modelado. FP, DD: recopilación de datos, análisis de datos. Todos los autores: discusión de resultados, redacción, edición.

Correspondencia a Francesco Paparella.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Paparella, F., D'Agostino, D. & A. Burt, J. Impactos de la salinidad a largo plazo a escala de cuenca por la desalinización en el Golfo Arábigo/Pérsico. Informe científico 12, 20549 (2022). https://doi.org/10.1038/s41598-022-25167-5

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Recibido: 01 Mayo 2022

Aceptado: 25 de noviembre de 2022

Publicado: 29 noviembre 2022

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-25167-5

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