Artículos

 

Efecto de los vientos Santa Ana en las propiedades bio-ópticas frente a Baja California

 

Effect of Santa Ana winds on bio-optical properties off Baja California

 

Ramón Sosa-Ávalos^1,2*, Gilberto Gaxiola-Castro², Reginaldo Durazo³ y B. Greg Mitchell⁴

 

¹ Facultad de Ciencias Marinas, Universidad de Colima, Km 20 carretera Manzanillo-Cihuatlán Manzanillo, Colima, México. * E-mail: rsosa@ucol.mx

² Departamento de Oceanografía Biológica, Centro de Investigación Científica y Educación Superior de Ensenada, Km 107 carretera Tijuana-Ensenada Ensenada, Baja California, México. E-mail: ggaxiola@cicese.mx

³ Facultad de Ciencias Marinas, Universidad Autónoma de Baja California, Km 107 carretera Tijuana-Ensenada Ensenada, Baja California, México. E-mail: rdurazo@uabc.mx

⁴ Scripps Institution of Oceanography, University of California, San Diego La Jolla, California, EUA. E-mail: gmitchell@ucsd.edu

 

Recibido en julio de 2004;
aceptado en noviembre de 2004.

 

Resumen

A partir de las propiedades bio-ópticas, los coeficientes de absorción por partículas, detritos y fitoplancton (a_p, a_dT, a_Φ) se evaluó el efecto de los vientos Santa Ana en el océano frente a Baja California ocurridos durante octubre de 1999. Los vientos medidos en la estación meteorológica frente a la Bahía de Todos Santos y los determinados a partir de información de satélite indicaron tres eventos Santa Ana, caracterizados por baja humedad relativa, alta temperatura del aire y vientos con dirección predominante del este-noreste. Los valores del coeficiente de absorción de detritos (a_dT) fueron hasta diez veces mayores en las muestras superficiales de octubre, con relación a las de enero, abril y agosto de 1999. Los altos valores de a_dT se debieron al material inorgánico aero-transportado por los vientos tierra-mar ocurridos del 9 al 11 y del 17 al 20 de octubre. Los coeficientes de absorción de las particulas (a_p) y el fitoplancton (a_Φ) en la zona eufótica fueron mayores en abril, como resultado de la abundancia del fitoplancton. Los valores de a_p, a_Φy K_d para la zona eufótica fueron ajustados a una función de potencia con la clorofila como variable independiente, con una variancia explicada de 37%, 72% y 16%, respectivamente. Cuando se excluyeron del ajuste los valores de a_dT medidos en la superficie durante octubre, la clorofila explicó 82% de la variabilidad en los coeficientes de absorción (a_p y a_Φ) y 87% en K_d. A partir de la ecuación que relaciona la reflectancia de la radiancia espectral ascendente (R_rs) con la clorofila, se determinó que ~80% de la variabilidad en la clorofila superficial es explicada por la razón de reflectancia R_(rs443)/R_(rs555) medida en la zona de estudio. Las estimaciones regionales de clorofila a partir de información bio-óptica obtenida en la columna de agua no fueron afectadas fuertemente por el polvo aero-transportado durante los vientos Santa Ana ocurridos en octubre de 1999.

Palabras clave: coeficiente de absorción de partículas, vientos Santa Ana, Corriente de California.

 

Abstract

The effect of Santa Ana winds on bio-optical properties (absorption coefficients of particles, detritus and phytoplankton) off Baja California (Mexico) was evaluated using data obtained during four cruises in January, April, August and October 1999. Meteorological data from a station at Todos Santos Bay and satellite-derived wind data indicated three Santa Ana events during October 1999, with low relative humidity, high air temperature and persistent ENE winds. The absorption coefficient of detritus (a_dT) in surface samples was ten-fold higher in October because of the inorganic material wind-driven by the Santa Ana events that occurred from 9 to 11 and from 17 to 20 October, 1999. The absorption coefficients of particles (a_p) and phytoplankton (a_Φ) in the euphotic zone were higher in the April survey as a result of higher phytoplankton abundance. The a_p, a_Φ and K_d values in the euphotic zone were fitted to chlorophyll using a power function, with an explained variance of 37%, 72% and 16%, respectively. On excluding the October a_dT surface values, chlorophyll explained 82% of the changes in the absorption coefficients (a_p and a_Φ), and 87% of the K_d variability. Approximately 80% of the chlorophyll concentration can be explained by the water column spectral reflectance relationship: R_rs(443)/R_rs(555). According to our results, regional chlorophyll estimates from water column bio-optical information were not greatly affected by wind-borne dust transported during the October 1999 Santa Ana events.

Key words: particle absorption coefficient, Santa Ana winds, California Current.

 

Introducción

La absorción de la luz solar por material particulado en el océano (incluyendo el fitoplancton y la materia inorgánica) y el coeficiente de atenuación de la luz difusa, son propiedades importantes que muestran la variabilidad óptica dentro de la zona eufótica del mar (Mitchell y Kiefer, 1988; Bricaud et al., 1995; Sosik y Mitchell, 1995). Los cambios en estas propiedades afectan la penetración de la luz en la columna de agua, la concentración de los pigmentos fotosintéticos, la producción primaria y el calentamiento de la capa de mezcla (Sosik y Mitchell, 1995).

Una de las fuentes más importantes de partículas hacia los océanos son los escurrimientos pluviales. En zonas donde el aporte de ríos es casi nulo, los vientos son sus principales transportadores. Esto es todavía más evidente en las regiones desérticas donde los fuertes vientos que soplan de tierra hacia el mar son los mecanismos por medio de los cuales ocurre una resuspensión de material inorgánico particulado y su transporte posterior hacia el océano. Ejemplos de esto son los vientos intensos conocidos como Mistral en el Mar Mediterráneo (Guerzoni et al., 1997) y los vientos Santa Ana en el Océano Pacífico frente a California y Baja California (Sommers, 1978; Castro et al., 2003; Trasviña et al., 2003). En Baja California, los eventos de vientos Santa Ana transportan material desde la región desértica y están asociados a alta temperatura ambiente y baja humedad relativa. Los vientos se presentan generalmente entre octubre y marzo, con intensidades de hasta 80 km h^-1 (Castro et al., 2003) y su efecto es perceptible desde la costa hasta cientos de kilómetros mar adentro.

El objetivo del presente trabajo fue evaluar los efectos de los vientos Santa Ana en los coeficientes de absorción de la luz medidos en la columna de agua, mediante un análisis de datos in situ obtenidos durante cruceros realizados en 1999. En particular, se analiza con mayor detalle la información de octubre, cuando se observaron fuertes vientos tierra-mar en la Península de Baja California. Se presenta además una evaluación preliminar de los efectos que estas variaciones podrían ocasionar en el cálculo de los coeficientes de absorción para las estimaciones regionales de la clorofila superficial, calculada con algoritmos globales que utilizan información de sensores remotos.

 

Materiales y métodos

Durante 1999 se realizaron cuatro cruceros oceanográficos (14 de enero al 2 de febrero, 30 de marzo al 17 de abril, 8 al 22 de agosto y 3 al 22 de octubre) en la región sur de la Corriente de California frente a Baja California como parte del programa IMECOCAL (Investigaciones Mexicanas de la Corriente de California) (fig. 1). Tres de estos cruceros se efectuaron a bordo del B/O Francisco de Ulloa del Centro de Investigación Científica y Educación Superior de Ensenada (CICESE; enero, abril y octubre) y uno a bordo del B/O El Puma de la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM; agosto). Asimismo, se obtuvo información meteorológica en una estación costera frente a la Bahía de Todos Santos utilizando una estación marca Aanderaa. De acuerdo a las especificaciones del fabricante, la presición en los sensores es de 0.1% en temperatura, ±2% del rango de humedad relativa y ±5% en rapidez y dirección de viento.

En cada estación oceanográfica seleccionada de la red IMECOCAL se recolectaron 2 L de agua por medio de botellas Niskin de 5 L acopladas a una roseta, para determinar la concentración de clorofila y los coeficientes de absorción de luz por partículas y fitoplancton a seis profundidades ópticas (100%, 50%, 30%, 20%, 10% y 1% de la irradiancia superficial [E_0(PAR)]). Únicamente en el crucero de octubre la recolecta superficial se realizó con una cubeta de plástico. Las muestras para ambos análisis se pasaron a través de filtros GF/F usando presión positiva. Los pigmentos fueron extraídos con acetona al 90% por 24 horas en oscuridad y en refrigeración (~4°C) (Venrick y Hayward, 1984). La concentración de pigmentos fue cuantificada por el método fluorimétrico (Yentsch y Menzel, 1963; Holm Hansen et al., 1965), con un fluorímetro Turner Designs 10-AU-005 calibrado con clorofila-a pura (Sigma). Los coeficientes de absorción por partículas (a_p) se determinaron con un espectrofotómetro Varian Cary 1E UV-Visible con doble haz de luz de 300 a 800 nm (Mitchell et al., 2003). Los espectros de absorción fueron corregidos por la amplificación de la trayectoria (factor P) por medio de la técnica cuantitativa de filtro (QFT) (Mitchell, 1990; Mitchell et al., 2003). Posteriormente, los filtros fueron colocados en metanol frío para extraer los pigmentos de acuerdo al método descrito por Kishino et al. (1985) y la absorbancia fue medida de nuevo a las mismas longitudes de onda. Esto produce la componente de absorción por partículas no pigmentadas (a_d) más la absorción por seston (a_i), referida como detritos totales (a_dT = a_d + a_i). A partir de la absorbancia obtenida se calcularon los coeficientes de absorción por partículas (a_p) y por detritos (a_dT). De la diferencia entre ambos se obtuvieron los coeficientes de absorción del fitoplancton (a_Φ = a_p - a_dT).

En las mismas localidades se tomaron perfiles verticales de irradiancia espectral descendente (E_d(λ); (µW cnr² nm^-1) y de radiancia espectral ascendente (L_u (λ); µW cnr² sr¹ nnr¹) a las longitudes de onda de 412, 443, 490, 510, 555 y 565 nm con un perfilador de radiancia-irradiancia (PRR-600, Biospherical Instruments). El coeficiente de atenuación de la irradiancia espectral descendente (K_d(λ); m^-1) se calculó con la ecuación de Gordon y Morel (1983): K_d(z, λ) = d(Ln[E_d(z,λ)])/dz. El coeficiente de atenuación de la irradiancia fue normalizado a partir del promedio del coseno de la luz descendente (µ_d) de 0.72, tomado de Giles-Guzmán y Álvarez-Borrego (2000). La reflectancia de la radiancia espectral (R_rs(λ); sr¹) para las seis diferentes longitudes de onda fue calculada en la columna de agua dividiendo la radiancia espectral ascendente (L_u(λ); µW cm^-2 sr^-1 nm^-1) entre la irradiancia espectral descendente (Ed(λ); µW cm^-2 nm^-1).

 

Resultados

Los valores medios de los coeficientes de absorción por partículas (a_p(440)) y fitoplancton (a_Φ(440)) fueron mayores en abril, relacionados con la abundancia del fitoplancton en la zona eufótica (tabla 1). Durante el crucero de octubre se observaron valores superficiales muy altos de a_p(440) y a_dT(440), hasta cinco y diez veces mayores que en los otros cruceros. Sin embargo, en ese mes a_Φ(440) fue muy bajo, excepto a la profundidad correspondiente al 10% de E_0(PAR), donde se registró el máximo subsuperficial de clorofila.

Los valores de a_dT(440) para la superficie (100% E_0(PAR)) durante el crucero de octubre fueron al menos un orden de magnitud mayores que los registrados en los otros tres cruceros (figs. 2a-f), mientras que a_dT(λ) de las profundidades de 50%, 30%, 20%, 10% y 1% de E_0(PAR) mostraron valores muy similares en los cuatro cruceros (figs. 2b-f). En general, el crucero de abril presentó los valores espectrales de detritos más bajos en la columna de agua (figs. 2c, e, f).

Los valores de a_p(440) y a_Φ(440) de todos los cruceros fueron agrupados y ajustados a una función de potencia (y = a[Chl -a]^b). La concentración de clorofila explicó 37% y 82% de la variabilidad de a_Φ(440) cuando se incluyeron (fig. 3a) y excluyeron (fig. 3b) los datos superficiales del crucero de octubre, respectivamente. El ajuste entre la clorofila in situ y a_Φ(440) tuvo un incremento de 10% en el coeficiente de determinación cuando se excluyeron los valores superficiales del crucero de octubre (figs. 3c-d). Esto sugiere que la mayor variabilidad en a_p(440) y la menor en a_p(440) estuvieron determinadas por partículas no pigmentadas o con muy baja pigmentación presentes en las muestras superficiales del crucero de octubre (figs. 3e-f). En la figura 3e se aprecia una alta concentración de detritos relacionada con clorofila entre 0.2 a 1.0 mg m^-3. Posiblemente esto se debe al transporte eólico de partículas inorgánicas ricas en hierro provenientes de zonas desérticas (Garget y Marra, 2002), a las cuales se les adhieren células autotróficas muy pequeñas (picoplanton: por ejemplo, cianofitas). Estas células del picoplanton, cuando crecen cerca de la superficie, contienen generalmente altas concentraciones de pigmentos fotoprotectores, los cuales se ha demostrado que no son extraídos totalmente por el metanol en frío (Bidigare et al., 1990). Se requiere mayor información para explicar y probar estas hipótesis relacionadas con el aporte de particulas por los vientos Santa Ana frente a Baja California y las altas abundancias de picoplancton asociadas a ellas.

Los valores de K_d(λ) calculados para la zona eufótica fueron relacionados con la clorofila medida in situ y ajustados a una función de potencia (figs. 4a-f). Cuando se incluyeron en el ajuste los datos superficiales del crucero de octubre, la clorofila explicó solamente 16% de la variabilidad total de K_d(412) (fig. 4a), comparado con 87% explicado al excluir estos valores y ajustar los datos nuevamente a la misma función de potencia (fig. 4b). Estas diferencias fueron mucho mayores al considerar las otras longitudes de onda (fig. 4c-l), lo que representó una mayor contribución de las partículas inorgánicas a la variabilidad del K_d(λ) con respecto a los cambios en a_p(440) y a_Φ(440).

 

Discusión

Los altos valores de a_p(440) y a_Φ(440) registrados en el mes de abril están relacionados con la abundancia de algunos grupos del fitoplancton (principalmente diatomeas y dinoflagelados), lo que ha sido ya documentado por diversos autores (Sosik y Mitchell, 1995; Bricaud et al., 1998; Bouman et al., 2000; Millán-Nuñez et al., 2004). En contraste, los altos valores superficiales de a_p(440) y a_dT(440) determinados para el crucero de octubre se debieron a la presencia de partículas no pigmentadas. Estas altas concentraciones de partículas fueron transportadas hacia la zona de estudio por los vientos Santa Ana observados durante el período del crucero (figs. 5a; 6a-b).

El patrón de vientos de la estación frente a la Bahía de Todos Santos durante octubre de 1999 mostró una dominancia de vientos del WNW (fig. 5a), aunque con contribuciones importantes de vientos del NE (Santa Ana) y del ESE (brisas nocturnas locales). Durante el mismo período, el aumento en la temperatura del aire (fig. 5b) así como el decremento de la humedad relativa a valores por debajo de 50% (fig. 5c), indican dos eventos fuertes de vientos Santa Ana durante el crucero: del 9 al 11 y del 17 al 20 de octubre de 1999. Para mostrar la influencia espacial de estos eventos sobre el océano se obtuvo una combinación de vientos medidos por los satélites NSCAT/ ERS-2 y de resultados del modelo NCEP de circulación atmosférica (0.5° x 0.5°) (Milliff et al., 1999). La figura 6 muestra el campo espacial de viento sobre la superficie para los días 10 y 17 de octubre. El patrón de vientos confirma la existencia de eventos tierra-mar en ambos períodos. Durante el primer evento (9 al 11 de octubre) la influencia del evento Santa Ana parece estar restringida a regiones cercanas a la costa (50-100 km) entre Ensenada y Punta Baja. En contraste, durante el segundo evento (17 al 20 de octubre), los vientos del N y NE sobre las costas del sur de California y Baja California mantienen su dirección por cientos de kilómetros mar adentro y a lo largo de toda la península (fig. 6b). Es evidente por tanto que los fuertes vientos tierra-mar provenientes de las regiones desérticas aportaron grandes cantidades de partículas y originaron cambios en las propiedades bio-ópticas del océano.

Los valores de K_d(λ) en el crucero de octubre fueron fuertemente afectados por el material particulado no pigmentado transportado hacia el océano, modificando significativamente el comportamiento esperado de K_d(λ) en la superficie (fig. 4a-b). En el Mar de los Sargazos, Siegel y Michaels (1996) midieron variaciones en K_d(λ) causadas por la presencia de partículas detríticas, lo cual afectó su relación con la concentración de clorofila. Los ajustes de regresión de la función de potencia para calcular a_p(440) y a_Φ(440) como una función de la clorofila explicaron 82% de la variabilidad de los coeficientes de absorción (fig. 3b, d) y más de 80% del K_d(λ) en la región azul del espectro (fig. 4b, d, f). Las propiedades bio-ópticas presentes durante eventos anómalos como los Santa Ana podrían ocasionar variaciones en los parámetros incorporados a los modelos regionales que calculan la clorofila a partir de la radiancia espectral ascendente que emerge del océano medida por sensores de color.

Con el fin de comprobar el efecto sobre las estimaciones de la clorofila por sensores remotos cuando se presenta una concentración anómala de partículas en la superficie del mar, se realizó un ajuste entre las razones de reflectancia de la radiancia (R_rs) a dos longitudes de onda (443/555) y la concentración de clorofila in situ cercana a la superficie (primera profundidad óptica) (fig. 7). Aún con la inclusión de los datos superficiales de octubre, se obtuvo un alto coeficiente de determinación (r² = 0.81). Esto muestra que, a pesar del efecto de estos eventos Santa Ana sobre las propiedades bio-ópticas en la región, se conserva en un alto porcentaje la relación entre las razones de reflectancia (443/555) y la clorofila, la cual se utiliza para calcular la concentración de este pigmento a partir de la informacion captada por sensores remotos de color del océano. Esto sugiere que el error esperado al estimar la clorofila por sensores remotos (por ejemplo: SeaWIFS) en la región de IMECOCAL podría no aumentar substancialmente debido a condiciones anómalas similares a las medidas en este trabajo. Sin embargo, habría que evaluar el efecto que este tipo de eventos causa en el esparcimiento y atenuación de la radiancia espectral ascendente al pasar por la atmósfera, que es lo que finalmente mide el sensor a bordo del satélite.

 

Agradecimientos

Agradecemos a los oficiales y tripulación de los B/O Francisco de Ulloa del CICESE y El Puma de la UNAM por su apoyo durante los cruceros. Este trabajo tuvo financiamiento de los proyectos CONACYT G0045-T9607, G35326-T y Fase-1 Oceanografía Satélite (DAJJ002/750/00), del Departamento de Oceanografía Biológica del CICESE y de los programas 1354 y 1359 de la UABC. RSA tuvo beca de la Universidad de Colima, PROMEP (UCO-98/05/01) y un complemento del proyecto G35326-T. Esta es una contribución del programa IMECOCAL a la agenda científica del Consorcio del Este del Pacífico (EPCOR) del Instituto Interamericano para la Investigación del Cambio Global (IAI). E. Gil y R. Castro auxiliaron en la obtención de datos de viento de la estación costera. A. Martínez auxilió en la obtención de los datos de viento Quicks-cat. Agradecemos el apoyo de Sila Nájera Martínez, Víctor Macías y Javier Alvarez durante los cruceros IMECOCAL. John Wieland y Scott Storm auxiliaron en el análisis de las muestras de absorción. J.M. Domínguez y F. Ponce procesaron las figuras finales.

 

Referencias

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