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Oasis en el océano: sobre el viento, las corrientes,
la abundancia del fitoplancton y el clima
Alberto R. Piola
Depto. Oceanografía, Servicio de Hidrografía NavalDepto. Cs. Atmósfera y los Océanos, FCEN, UBA
CONICET
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contenidocontenido
o La producción biológica oceánica distribución e
impactos
o Factores físicos que controlan la producción
o Otros factores “inesperados”: el caso del Atlántico
SW
o Simulaciones numéricas simples y no tan simples …
o Calentamiento global: potenciales consecuencias
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concentraciconcentracióón de clorofila n de clorofila aa
Primera semana de marzo de 2010
(mg.m-3)
< 0.1
> 3
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El rol del fitoplanctonluz
clorofila6 CO2
+ 6 H2
O C6
H12
O6
+ 6 O2
Modis/Aqua1-8 mayo 2010
Clorofila (mg
m-3)
impactos: absorciimpactos: absorcióón de COn de CO22
atmosfatmosfééricorico
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Takahashi et al., DSR (2009)
impactos: absorciimpactos: absorcióón de COn de CO22
atmosfatmosfééricorico
++ ++++-- --
-- --- 1.6 (±
0.9) Pg C/año
∫
FCO2 dA
=
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impactos: producciimpactos: produccióón primaria y pesquern primaria y pesquerííasasProducción primaria en el océano mundial 1998-2006
Las capturas globales (2004) ocupan menos del 10% del área del océano.
UNEP (2008)
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explicaciones: Nitratos disueltos en la superficie explicaciones: Nitratos disueltos en la superficie del mardel mar
World Ocean Atlas (2005)
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nitratos disueltos en el Ocnitratos disueltos en el Océéano Atlano Atláántico ntico (30(30ººWW))
Pro
fund
idad
(m)
Latitud
µmol/LWorld Ocean Atlas (2005)
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•
La mezcla vertical en el océano es causada por la turbulencia.
•
La mezcla turbulenta puede ser modelada como un proceso difusivo pero con un coeficiente de viscosidad varios órdenes de magnitud mayor que el molecular.
•
El equilibrio dinámico básico está dado por la mezcla turbulenta de cantidad de movimiento en la vertical, inducida por el viento en la superficie, y la rotación de la Tierra:
2 Ω
senψ
u
= Az
/ρ ∂2v/∂z2
2 Ω
senψ
v
= -
Az
/ρ ∂2u/∂z2
la dinla dináámica de mica de EkmanEkman
(1905)(1905)
Ω
es la velocidad angular de rotación de la Tierra, 2 Ω
sen ψ
(el factor de Coriolis) es el doble de la componente local del vector rotación y ψ
la latitud,
u
y v
son las componentes de la velocidad horizontal hacia el este (x) y norte (y), y z es la profundidad, positiva hacia abajo Az
, el coeficiente de viscosidad turbulento.
Az
, ρ
= cte.τ
0
= Az
∂u0
/∂z,τ∞
= 0
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solucisolucióón de n de EkmanEkman
[u
, v] = Vo
exp
(-z/D) [cos (∏/4 -
z/D), sen (∏/4 -z/D)]
Vo
= τ0
/ ρ
(Az
f)1/2
es la amplitud en superficie yD = (2 Az
/ f)1/2
es la escala vertical de decaimiento exponencial a la cual la dirección de la velocidad se invierte y τ0
es la tensión del viento en superficie
El vector velocidad horizontal rota en función de la profundidad en sentido horario en el HN y sentido antihorario en el HS y el módulo disminuye formando así la llamada “espiral de Ekman”
Price et al., Science (1987)
Confirmación experimental
τ0 τ0
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La integral vertical de la solución, o transporte de Ekman, es:
∫
[ u , v ] dz
= [τ0
/ ρ
f, 0 ]
El transporte de Ekman es a 90° de la dirección del viento. Esta característica tiene profundas consecuencias para la circulación general del océano y el clima.La magnitud y dirección del transporte de Ekman son independientes del valor de Az .
transporte de transporte de EkmanEkman
Confirmación experimental
Price et al., Science (1987)
τ0
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viento en la superficie del mar: transporte de viento en la superficie del mar: transporte de EkmanEkman
w (m.s-1)
Oct 2009
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Velocidad vertical (m/año) a través de la base de la capa de Ekman
calculada a partir de la tensión del viento en superficie.
conservando la masa: conservando la masa: EkmanEkman
pumpingpumping
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6-8 mayo 2010
temperatura (ºC)
clorofila (mg.m-3)
EkmanEkman
pumpingpumping: : impacto biolimpacto biolóógicogico
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otros factores limitantesotros factores limitantes: Fe en la superficie del : Fe en la superficie del marmar
Duggen et al., OBG-D (2010)
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el Atlel Atláántico sudoestentico sudoeste
??
Primavera 2009
0.01 0.03 0.1 1 3 10
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la plataforma y el talud del Mar Patagla plataforma y el talud del Mar Patagóóniconico
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surgencia (surgencia (upwellingupwelling, w > 0) de talud, w > 0) de talud
Matano & Palma, JPO (2008)
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experimentos numexperimentos numééricos simplesricos simples
y
x
x (km)
y (k
m)
Función corriente
Matano & Palma, JPO (2008)
Balance de cant. de mov. (y)
x (km)
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experimentos numexperimentos numééricos simplesricos simplesP
rofu
ndid
ad (m
)
x (km)
y = 150km
w (10-4
m.s-1)
x (km)
w (10-4
m.s-1)
50
10
0
150
2
00
250
300
y (m
)
Matano & Palma, JPO (2008)
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experimentos numexperimentos numééricos realistasricos realistas
Princeton Ocean
Mod
.Grilla curvilínea ~20 km
Forzantes•
Viento medio mensual•
Mareas•
Temp. y salinidad obs.•
Ríos•
Corrientes globales
Palma et al. (en prep.)
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∇∇
hh
VVhh
divergencia horizontaldivergencia horizontal
Palma et al. (en prep.)
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divergencia horizontal: impacto sobre la divergencia horizontal: impacto sobre la productividadproductividad
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efectos potenciales del calentamiento efectos potenciales del calentamiento globalglobal
Anomalías de contenido de calor en la capa superior del océano
Media trimestralMedia anual
1022
J
NODC (2010)
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Behrenfeld et al., Nature, 2006 año
Ano
mal
ía d
e P
PN
(T
g C
/ m
es)
global
“esfera cálida”
T > 15ºC
esfera cálida
producciproduccióón primaria neta: lecciones del gran Nin primaria neta: lecciones del gran Niññoo
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Ano
mal
ía d
e P
PN
(Tg
C/m
es)
Anom
alía de estratificación (kg/m3)
75% del área oceánica
variaciones interanuales de PPN variaciones interanuales de PPN --
esfera cesfera cáálida, T > 15lida, T > 15ººCC
Behrenfeld et al., Nature, 2006
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1 > temperatura superficial•
> estratificación vertical
•
< flujo vertical de nutrientes
•
< abundancia de fitoplancton
•
< absorción de CO2•
go
to
1
impacto potencial del calentamiento impacto potencial del calentamiento globalglobal
• >
CO2
oceánico• <
pH
•
< calcificación•
< absorción de CO2
•
go
to
1
CO2
• >
τ0•
< estratificación vertical
•
> flujo vertical de nutrientes•
> abundancia del fitoplancton
•
> absorción de CO2•
> eutrofización
•
> emisión de CH4
y H2
S•
go to 1
viento