Artículos

 

Dinámica del carbono inorgánico disuelto en la región de las grandes islas del golfo de California: Influencia de las masas de agua

 

Dynamics of dissolved inorganic carbon in the Midriff Islands region of the Gulf of California: Influence of water masses

 

José Martín Hernández-Ayón¹*, Cecilia Chapa-Balcorta^1,2, Francisco Delgadillo-Hinojosa¹, Víctor Froylan Camacho-Ibar¹, Miguel Angel Huerta-Díaz¹, Eduardo Santamaría-del-Angel², Salvador Galindo-Bect¹, José Antonio Segovia-Zavala¹

 

¹ Instituto de Investigaciones Oceanológicas (IIO), Universidad Autónoma de Baja California, Apartado postal 453, Ensenada, CP 22800, Baja California, México.* Corresponding author. E-mail: jmartin@uabc.edu.mx

² Facultad de Ciencias Marinas, Universidad Autónoma de Baja California, Apartado postal 453, Ensenada, CP 22800, Baja California, México.

 

Received October 2012,
received in revised form April 2013,
accepted April 2013.

 

RESUMEN

En la región de las grandes islas (RGI) del golfo de California la mezcla por mareas juega un papel muy importante en la distribución de propiedades disueltas. Aunque la variabilidad temporal de las masas de agua está ligada con la dinámica oceanográfica de la región, su importancia no ha sido considerada. En este trabajo se estima el efecto de la dinámica de las masas de agua sobre la distribución espacial y variación estacional del carbono inorgánico disuelto (CID) en la RGI, con especial énfasis en el canal de Ballenas, durante el invierno de 2002, la primavera de 2003 y el verano de 2004. El Agua del Golfo de California (AGC) se encontró en toda la superficie en los primeros 100 m de profundidad. Por debajo del AGC, el Agua Subsuperficial Subtropical (ASS) llenó las cuencas Delfín, Salsipuedes y Tiburón, mientras que en el sureste se encontró entre 150 y 350 m. El Agua Intermedia del Pacifico no atravesó los umbrales. Se encontró que el ASS enriquece de CID las aguas superficiales de la RGI cuando aumenta su volumen y cuando se mezcla con el AGC por efecto de las mareas. El aporte disminuye hacia el verano, cuando el ASS se hunde al mismo tiempo que el volumen de AGC aumenta. En invierno, el AGC presentó tres tipos de agua asociadas a los procesos de mezcla y en combinación con la presencia de ASS. Se encontró también que en la RGI la relación CID vs temperatura podría aplicarse en futuros estudios para analizar la dinámica del carbono en la RGI, tanto en la superficie mediante imágenes de satélite como en la vertical para simular procesos físicos.

Palabras clave: carbono inorgánico disuelto, golfo de California, mezcla vertical, canal de Ballenas, estudios costeros de CID.

 

ABSTRACT

In the Midriff Islands region (MIR) of the Gulf of California (Mexico), tidal mixing plays a very important role in the distribution of chemical properties. Although the temporal variability of the water masses is linked to the ocean dynamics of this region, its importance has not been considered. This work estimates the effect of water mass dynamics on the spatial distribution and seasonal variation of dissolved inorganic carbon (DIC) in the region, with special emphasis on the Ballenas Channel, during winter 2002, spring 2003, and summer 2004. Gulf of California Water (GCW) was found throughout the area in the first 100 m. Below, Subtropical Subsurface Water (SSW) filled the Delfín, Salsipuedes, and Tiburón basins, while to the southeast it was found between 150 and 350 m. Pacific Intermediate Water did not cross the sills. SSW enriches the surface water of the MIR with DIC when it increases in volume and when mixed with GCW by tidal effects. This contribution decreases towards summertime, when SSW sinks and the volume of GCW increases. In winter, GCW had three water types associated with oceanographic mixing processes and in combination with the presence of SSW. There was a strong DIC vs temperature relationship, which can be applied to analyze the carbon dynamics in the MIR, both at the surface using satellite imagery and vertically to simulate physical processes.

Key words: dissolved inorganic carbon, Gulf of California, vertical mixing, Ballenas Channel, coastal DIC studies.

 

INTRODUCCIÓN

Generalmente, el agua que aflora a la superficie tiene una alta concentración de carbono inorgánico disuelto (CID). Por lo tanto, en regiones de surgencia, la pCO_2mar es mayor que la pCO_2atm y favorece un flujo positivo del océano a la atmósfera. En cambio, si el CO₂ es consumido por el fitoplancton, la pCO₂ superficial puede disminuir y ser menor que la pCO_2atm, y se presentaría un flujo negativo de CO₂ dela atmósfera al océano. En la región de las grandes islas (RGI) del golfo de California (GC), el transporte vertical de nutrientes (Álvarez-Borrego et al. 1978, Lavín et al. 1995, Torres-Valdés 2000) y de CID (Gaxiola-Castro et al. 1978; Hernández-Ayón et al. 2007a, 2007b) está fuertemente controlado por procesos de mezcla asociados a la marea. Varios trabajos también han documentado que el aporte de carbono inorgánico y de nutrientes es constante y está modulado quincenalmente por las mareas (Hidalgo-González et al. 1997, Martínez-Díaz-de-León et al. 2006). Además, existe un efecto debido a la intensa interacción entre las corrientes de marea y la batimetría (Marinone-Moschetto y Lavín-Peregrina 2003). Por ejemplo, en un estudio efectuado en verano en la RGI, se registró que la distribución del cadmio (que tiene una distribución vertical tipo nutriente), CID y pH podría ser explicada en un 80% por la mezcla vertical (Delgadillo-Hinojosa et al. 2001, Hernández-Ayón et al. 2007a). En otro estudio realizado en invierno, Hernández-Ayón et al. (2007b) observaron una formación de regiones oceanográficas peculiares producto del efecto de la intensidad de la mezcla sobre la dinámica del carbono.

Otra característica notable de la RGI es que aun cuando las concentraciones de nutrientes son altas, las concentraciones de pigmentos no lo son (Santamaría-del-Angel et al. 1994), lo cual pudiera deberse a que los florecimientos de fitoplancton no ocurren en las aguas completamente mezcladas (Falkowski y Raven 1997). Consistente con estas observaciones, en el canal de Ballenas se han registrado las concentraciones más altas de nutrientes, pero no de pigmentos (Santamaría-del-Angel et al. 1994). En un análisis de datos satelitales de pigmentos durante diferentes condiciones de marea en la RGI se encontró que durante las mareas de primavera-verano, las concentraciones de clorofila eran más altas en la costa oeste y presentaron un desplazamiento hacia el sur, mientras que durante las mareas de invierno-primavera había más variabilidad espacial que durante el verano (Flores-de-Santiago et al. 2007).

Estos antecedentes señalan que tanto los procesos físicos como la mezcla por mareas juegan un papel muy importante en la distribución de propiedades disueltas. Aunque la variabilidad temporal de los volúmenes de las masas de agua está ligada con la dinámica oceanográfica de la RGI, su importancia no ha sido considerada. Un análisis volumétrico de las masas de agua del GC (Torres-Orozco 1993) indicó que el Agua del Golfo de California (AGC), el Agua Subsuperficial Subtropical (ASS) y el Agua Intermedia del Pacifico (AIP) ocupan el mayor volumen de agua de la RGI. Un análisis de las proporciones de las masas de agua en un transecto latitudinal de la RGI a la boca del GC indicó que durante el verano se explicó el 36% de ASS, 57% de AGC y 7% de Agua Superficial Ecuatorial (ASE) en los primeros 50 m superficiales, mientras que en invierno, al retraerse el ASE hacia el exterior del GC (Álvarez-Borrego y Schwartzlose 1979), las proporciones de mezcla fueron 70% de ASS y 30% de AGC (Delgadillo-Hinojosa 2000). Hernández-Ayón et al. (2007b) también observaron que bajo condiciones de invierno, la ASS se localizó muy cerca de la superficie, entre los 50 m y 75 m de profundidad, y señalaron que dicha masa de agua podría ser una fuente muy importante de CID en esta región. Con base en estas observaciones, se esperaría encontrar aguas superficiales ricas en CO₂ en la RGI durante la época fría del año debido a la mayor proporción de ASS en la zona.

Existen pocos estudios sobre la distribución espacial y la variabilidad temporal del CID en el GC, por lo que es necesario aumentar el conocimiento sobre los procesos que controlan la variabilidad de CID para cuantificar los reservorios. En este trabajo se registra la distribución espacial de CID en una amplia red de muestreo en la RGI bajo condiciones de invierno. Adicionalmente se analiza la variación estacional del CID en el canal de Ballenas durante tres épocas del año y se estima el efecto de la dinámica de las masas de agua sobre las propiedades químicas de las aguas en esta zona del GC.

 

MATERIALES Y MÉTODOS

Área de estudio

El GC se localiza en la costa oeste de México y mide aproximadamente 1100 km de largo y 150 km de ancho (fig. 1). La batimetría de la RGI (fig. 1b) constituye una de las características más sobresalientes del GC debido a que está conformada por una serie de umbrales y cuencas profundas que, por una parte, restringen la circulación entre el norte y centro del GC y, por otra, actúan como puntos de generación de mezcla intensa por fuertes corrientes de marea (Torres-Orozco 1993). En el sur y centro del GC, la profundidad de la cuenca es mayor que 3000 m, por lo que hay un libre intercambio de agua con el océano Pacífico (Castro et al. 2000). En la parte sur de la RGI se encuentran el umbral de San Esteban (~600 m de profundidad) y el umbral de San Lorenzo (~400 m de profundidad) restringiendo la entrada de las masas de agua hacia el canal de Ballenas (~1500 m de profundidad). En el norte del canal de Ballenas se encuentra otro umbral que conecta con la cuenca Delfín (~800 m de profundidad) (Badan-Dangon et al. 1991).

La campaña oceanográfica Umbrales I se realizó en la RGI a bordo del B/O Francisco de Ulloa en marzo de 2002, iniciando en mareas vivas y terminando en mareas muertas. La red de muestreo cubrió 38 estaciones (fig. 1a) donde se realizaron lances de CTD (Sea-Bird 911 Plus). En 26 de estas estaciones se recolectaron muestras de agua de mar con botellas Niskin en la superficie y a distintas profundidades (5, 10,20, 30, 50, 75, 100, 200, 250, 300, 400, 500, 700, 750, 800,900 y 1000 m), según lo permitiera la batimetría, para el análisis del CID. El agua de mar luego se extrajo de las botellas Niskin con jeringas de 50 mL y el CID se midió a bordo utilizando la técnica de titulación potenciométrica descrita por Hernández-Ayón et al. (1999).

Para analizar la variación temporal de la presencia de las masas de agua y su efecto sobre las concentraciones de CID, se compararon los datos recolectados en marzo de 2002 (Umbrales I), mayo de 2003 (Umbrales II) y septiembre de 2004 (Umbrales III) a las mismas profundidades en tres estaciones representativas de la región del canal de Ballenas (fig 1a).

Calibración de las concentraciones de CID durante la campaña Umbrales I

Las concentraciones de CID medidas por potenciometría durante la campaña Umbrales I se calibraron con las mediciones de CID obtenidas de las muestras recolectadas en aguas profundas en la estación 38 de la campaña Umbrales II en mayo de 2003 y Umbrales III en septiembre de 2004, las cuales se analizaron mediante coulombimetría en Scripps Institution of Oceanography de la Universidad de California. La precisión de las mediciones de CID obtenidas por potenciometría fue de ±10 μmol kg^-1 y la de las mediciones obtenidas por coulombimetría fue de ±3 μmol kg^-1.

Procesamiento de datos

Las masas de agua se identificaron a partir de un diagrama de temperatura-salinidad (T-S) usando la clasificación de Torres-Orozco (1993). El parámetro de estratificación (Φ) se determinó de acuerdo con Simpson y Bowers (1981), con la finalidad de estimar el efecto de la mezcla vertical sobre la distribución superficial de CID en la RGI. El valor de Φ (J m^-3) representa una medida de la cantidad de energía que se requiere para mezclar una columna de agua; los valores altos indican una columna de agua más estratificada y los valores bajos indican lo contrario.

 

RESULTADOS

Masas de agua en la región de las grandes islas

Las masas de agua que se detectaron en la RGI en marzo de 2002 fueron AGC, ASS y AIP (fig. 2). En general, se observó que el AGC cubrió toda la superficie de la RGI (fig. 2a), mientras que el ASS se localizó en una extensa porción por debajo de los ~100 m pero sin cubrir la zona noroeste aledaña a la costa de Sonora (fig. 2b). El AIP se localizó por debajo de 500 m y llenó la cuenca de San Pedro Mártir localizada aproximadamente en la estación 38 (fig. 1). En contraste con las otras dos masas de agua, el AIP no atravesó hacia el norte del umbral (fig. 2c). Por lo tanto, en este muestreo se podría esperar que las características químicas del agua por debajo de la zona eufótica dependieran de las proporciones de las dos primeras masas de agua y quizás de una pequeña proporción del AIP que casualmente pudiera lograr mezclarse con el ASS por efecto de mareas. La proporción aproximada de las masas de agua fue de 39%, 44% y 16% para AGC, ASS y AIP, respectivamente. También se detectó el Agua Profunda del Pacífico (APP) por debajo del AIP, pero su proporción representó únicamente el 1% y sólo se observó en la estación más sureña y a 1200 m de profundidad.

El AGC presentó características que se consideran importantes describir. Esta masa de agua se localizó en toda la superficie de la RGI, pero su volumen fue mayor al noroeste (en los primeros 170 m en promedio) y disminuyó en ~85 m hacia el sureste. Esta masa de agua presentó una forma de V en el diagrama T-S (fig. 3), con valores máximos de temperatura en el brazo del lado izquierdo que conforma la V y valores máximos de salinidad en el brazo derecho. El vértice fue la parte más fría y menos salina, cuyas estaciones coinciden con el límite superior de la ASS. El diagrama T-S mostró que el AGS estuvo formada por tres tipos de agua, las cuales durante marzo formaron tres subregiones oceanográficas asociadas al efecto de la mezcla vertical y los tiempos de residencia. Estas subregiones se delimitaron no sólo en la superficie (fig. 3b), sino también en la vertical con estructuras diferenciadas y agrupadas en función de su temperatura, salinidad y densidad (fig. 3e, f, g). En este trabajo, las tres subregiones se denominaron AGC-1, 2 y 3; esta clasificación también indica un gradiente de mayor a menor intensidad de la mezcla o de menor a mayor estratificación.

La AGC-1 se localizó en las estaciones correspondientes al canal de Ballenas (el vértice de la V del diagrama T-S) y correspondió a la zona menos estratificada, con valores de Φ menores que 17 J m^-3 (T_media = 14.3 ± 0.4 °C; S_media = 35.05 ± 0.03) (fig. 3c, d). La AGC-2 correspondió a la subregión con estratificación intermedia, con valores de Φ entre 17 y 30 J m^-3 (T_media = 16.0 ± 0.3 °C; S_media = 35.31 ± 0.07) al noroeste de la RGI y en el lado nororiental de la isla Ángel de la Guarda. La AGC-3 correspondió a la zona más estratificada, con valores de Φ entre 30 y ~75 J m^-3 (T_media = 17.5 ± 1.1 °C; S_media = 35.20 ± 0.04) al sureste de la RGI. Al graficar j contra la temperatura y la salinidad superficial (fig. 3c, d), se observó que la estratificación estuvo más asociada con la temperatura. El primer caso (Φ vs T) pudiera ser una indicación de mezcla, pero el segundo (Φ vs S) posiblemente sea una indicación de una respuesta a las diferencias en el tiempo de residencia, es decir, que el agua tenga un mayor tiempo de exposición en la superficie y que su salinidad haya aumentado por la evaporación.

Por debajo del AGC, el ASS presentó dos distribuciones distintas visiblemente diferenciadas por temperatura, salinidad y densidad (fig. 4a, b). En el noroeste de la RGI, esta masa de agua se observó por debajo de los 200 m, llenando las cuencas Delfín, Salsipuedes y Tiburón, y en el sureste se localizó entre 150 y 350 m de profundidad (fig. 2b).

Características hidrográficas y del CID

Cada masa de agua en la RGI presentó características distintas de temperatura, salinidad, densidad y CID (fig. 5). El AGC presentó las menores concentraciones de CID (de 2250 a 2150 μmol kg^-1), en comparación con las otras dos masas de agua (fig. 5a). Se observó una distribución de CID de acuerdo con las tres subregiones oceanográficas: en la AGC-1 fueron mayores (~2300 μmol kg^-1), en la AGC-2 fluctuaron entre 2300 y ~2250 μmol kg^-1, y en la AGC-3 fueron menores (<2250 μmol kg^-1) (fig. 5a, b). Estás subregiones oceanográficas también fueron clasificadas de acuerdo con la forma de la estructura vertical de las diferentes variables (separación de las más mezcladas y las más estratificadas) (fig. 6). Los perfiles de temperatura, salinidad, densidad y CID en los primeros 1000 m permitieron evaluar diversos aspectos. (1) En la AGC-1 (canal de Ballenas), la columna de agua estuvo muy bien mezclada, al grado de que las diferencias en las variables, entre la superficie y los 200 m de profundidad, fueron pequeñas (2 °C, 0.2 de salinidad, 0.5 kg m^-3 de densidad y <30 μmol kg^-1 de CID). Además, los valores de referencia del diagrama T-S (14 °C y S < 35) indicaron que, en esta subregión, el ASS se presentó en toda la columna de agua. Por lo tanto, las altas concentraciones de CID son producto de la intensidad de mezcla, pero están influenciadas por la presencia somera del ASS, que de origen es rica en CID. (2) En la AGC-3 (localizada al sur de la RGI) se observó un aumento en la estratificación como resultado de la disminución del efecto de mezcla, y las concentraciones de CID en la superficie fueron menores; sin embargo, por debajo de los ~400 m se observó la presencia del AIP, que es más fría, menos salina y aún más rica en CID.

Variación temporal del CID en el canal de Ballenas

En el canal de Ballenas el ASS en marzo (finales de invierno) se observó muy cerca de las aguas superficiales (~50 m); sin embargo, este escenario varió en las otras épocas del año (fig. 7).

En marzo (invierno), la temperatura superficial fue de ~14 °C y las salinidades estuvieron ligeramente por arriba de 35; además, se presentó una columna de agua bien mezclada. En mayo (primavera), la temperatura y la salinidad aumentaron ~6 °C y ~0.4, respectivamente, en las aguas más superficiales, mientras que la densidad disminuyó una unidad y el CID disminuyó ~80 μmol kg^-1. En septiembre (verano), las diferencias fueron más evidentes en las aguas superficiales (ver amplificación para cada variable en fig. 7): la temperatura aumentó más de 14 °C, la salinidad aumentó en más de una unidad y, por lo tanto, la densidad disminuyó más de 4 kg m^-3, mientras que el CID disminuyó en ~200 μmol kg^-1. Es importante señalar que las diferencias estacionales se observaron principalmente en los primeros 200 m de profundidad, pero las diferencias tendieron a desaparecer de manera gradual hacia el fondo (fig. 7).

Hacia el verano, además de presentarse mayor estratificación, se observó mayor presencia del AGC en los primeros 100 m (con base en los valores de T-S), donde dicha masa de agua, al ser menos densa, contribuyó con el hundimiento gradual del ASS. En marzo, el ASS se observó cerca de los70 m, en mayo se observó por debajo de los ~100 m y en septiembre se hundió hasta los 200 m de profundidad. Se observó que al disminuir la influencia del ASS, también disminuyó la concentración de CID en la superficie (fig. 7c, d).

 

DISCUSIÓN

La RGI presenta las temperaturas superficiales más bajas del GC debido a la intensa mezcla por las mareas (Argote et al. 1995, Paden et al. 1993, Soto-Mardones et al. 1999). Esta mezcla favorece el transporte de aguas profundas, con bajas temperaturas y altas concentraciones de nutrientes y metales hacia la superficie (Delgadillo-Hinojosa et al. 2001, Torres-Valdés 2000). También se han registrado niveles altos de pCO₂ en toda la RGI, por lo que la región se considera una fuente de CO₂ hacia la atmósfera (Hidalgo-González et al. 1997, Zirino et al. 1997, Hernández-Ayón 2007b). Sin embargo, la mayoría de los trabajos previos sólo hacen alusión al mecanismo de mezcla como regulador de la composición química de las aguas superficiales de la RGI, sin considerar el papel que pudieran jugar las masas de agua, las cuales presentan una clara dinámica estacional.

En este trabajo, se detectaron dos masas de agua principales: el AGC, con una propoporción de 39% del volumen total estimado, y el ASS, con una propoporción del 44%. La composición de CID, salinidad, temperatura (fig. 5) y oxígeno disuelto (datos no presentados) de cada una de estas masas de agua fue muy distinta; por ejemplo, en invierno, el CID fluctuó entre 1980 y 2160 μmol kg^-1 en el AGC pero fue mayor que 2300 μmol kg^-1 en el ASS . Se encontraron evidencias de la influencia de ASS en la distribución espacial de las concentraciones de CID. La señal más clara se detectó en las aguas superficiales del canal de Ballenas (subregión AGC-1), donde se registraron las concentraciones máximas de CID. En el resto de la RGI (subregiones AGC-2 y 3, fig. 5), se detectó una influencia más débil que será explicada más delante.

Se pudo establecer también que la proporción del ASS en el canal de Ballenas varía estacionalmente en la vertical. Mientras que en invierno el ASS se observó cerca de la superficie a ~70 m de profundidad (enriqueciendo con CID, en ~2300 μmol kg^-1, a toda la columna de agua), en verano su presencia se detectó por debajo de los ~200 m. En primavera el ASS se observó a más de 100 m de profundidad. Con la información obtenida, se pueden explicar varios aspectos oceanográficos relacionados con el tema de "enriquecimiento".

La mezcla en la RGI es constante a lo largo del año, ya que está relacionado con el efecto de mareas (Flores-de-Santiago et al. 2007). En particular, en invierno se han detectado, vía imágenes de satélite, las temperaturas más bajas en el canal de Ballenas (Santamaría-del-Angel et al. 1994, Flores-de-Santiago et al. 2007). Por lo tanto, la composición del agua superficial, en términos de nutrientes y CID, dependerá de las proporciones en que el ASS se mezcle con el agua superficial; por ejemplo, habrá más CID en las aguas superficiales de la RGI cuando la masa de ASS se acerque a la superficie.

En la RGI, el efecto de la mezcla por mareas se puede apreciar en los primeros 200 m de profundidad, pero en el canal de Ballenas, en marzo, el efecto de la mezcla pareciera estar actuando hasta profundidades mayores que 500 m. Sin embargo, con base en lo observado en este trabajo, creemos que en invierno ocurre una combinación de factores: el ASS se ubica en los primeros 100 m y al estar al alcance del efecto de la mezcla por mareas en los primeros 200 m, se pierde la estratificación en la columna de agua; este volumen de agua bien mezclado se une con las aguas profundas (por debajo de 200 m), en las cuales no hay estratificación, y genera una columna de agua muy bien mezclada desde la superficie hasta más de 500 m de profundidad. López et al. (2006) y Marinone (2007) documentaron que además de la mezcla por mareas, existe una surgencia en el canal de Ballenas que lleva agua profunda a la superficie. Esta surgencia se genera por la convergencia del agua profunda que entra desde el sur por el umbral de San Lorenzo y desde el norte por el umbral canal de Ballenas. La mezcla es tan fuerte en la RGI que existe una alta correlación entre las variables físicas y químicas. La correlación significativa (P < 0.001) encontrada entre el CID y la temperatura (r² > 0.9, n = 562) se puede explicar por el transporte de aguas profundas de baja temperatura (Lopez et al. 2006, Marinone 2007) y ricas en CID, las cuales se van calentando conforme llegan a la superficie. Este punto se retomará nuevamente más adelante.

Influencia invernal del ASS en la distribución espacial del CID del AGC

En este estudio la amplia malla de muestreo permitió describir de manera detallada la evolución e influencia del AGC sobre las condiciones oceanográficas de la RGI. Los datos superficiales muestran que en toda la RGI se encontraron concentraciones altas de CID que fluctuaron entre los 2200 y 2300 |amol kg^-1. Estas concentraciones son más altas que en zonas donde existe advección de aguas subsuperficiales, tal como es el caso de las aguas de surgencia de las costas occidentales de Baja California, cuyas concentraciones de CID suelen ser de ~2150 μmol kg^-1 y cuyos valores máximos de pCO₂ son de 800 μatm (Ribas-Ribas et al. 2011), considerando que el agua proviene típicamente de ~80 m (Linacre et al. 2010). En las aguas de surgencia de Oregón, donde los vientos son de mayor intensidad (10 m s^-1) y el agua proviene de ~200 m, se han registrado concentraciones de CID de hasta ~2200 μmol kg^-1 y valores de pCO₂ > 900 μatm (Feely et al. 2008). Por lo tanto, los valores de CID que encontramos para la RGI permiten entender que este sitio se comporta como fuente de CO₂ hacia la atmósfera. Se ha estimado que en el canal de Ballenas la pCO₂ puede alcanzar valores de aproximadamente 1000 | atm (Hernández-Ayón et al. 2007b). Valores de pCO₂ tan elevados como los encontrados en el canal de Ballenas se han registrado en zonas como las costas de Perú durante la época de surgencias (Friederich et al. 2008).

El enriquecimiento de CID antes descrito se ha atribuido principalmente a factores como la poca o nula estratificación (valores de Φ bajos) ocasionada por las fuertes corrientes de marea (López y García 2003; Torres-Delgado et al. 2013, este número). También se le ha relacionado con el estado de mareas, que tiene efectos directos en los flujos de CO₂ hacia la atmósfera en la RGI (Hidalgo-González et al. 1997). Por ejemplo, se ha encontrado que el mínimo de estratificación ocurre entre dos y tres días después de las mareas vivas (Simpson y Bowers 1981). El enriquecimiento de CID (así como de nutrientes y otras propiedades) en las aguas superficiales del canal de Ballenas se puede explicar con un mecanismo adicional a la mezcla por mareas; este mecanismo consiste en una surgencia de agua profunda producto de la convergencia de los flujos de ASS, que ingresan desde el sur por el umbral de San Lorenzo y desde el norte por el umbral del canal de Ballenas (López et al. 2006, Marinone 2007). Marinone (2007) sugirió que esta surgencia es intensa y está presente todo el año.

Las evidencias encontradas en este estudio revelan el papel del ASS como fuente de CID para el AGC cuando incrementa su volumen y se mezcla con el AGC por efecto de las mareas; pero, en la superficie, la concentración de CID también dependerá de los procesos biogeoquímicos que ahí ocurren. El AGC presentó tres tipos de agua que formaron tres zonas hidrográficamente distintas, con características particulares de temperatura, salinidad y CID que estuvieron, en mayor o menor medida, relacionadas con el ASS y otros procesos que a continuación se discuten.

La AGC-1, ubicada en el canal de Ballenas y al sur de las islas, presentó la mayor concentración de CID. En está subregión se presentan las corrientes de marea más intensas (Marinone-Moschetto y Lavín-Peregrina 2003), y el agua proviene de aproximadamente 200 m de profundidad, como se puede observar en los perfiles de temperatura, salinidad, densidad y CID (figs. 5, 6). La AGC-1 comprendió la zona de los umbrales localizados inmediatamente al sur de las islas (fig. 1). Se ha registrado que en los umbrales se origina un salto hidráulico que provoca que el ASS transporte sus propiedades físicoquímicas directamente hacia la superficie (Delgadillo-Hinojosa et al. 2001); este transporte también podría ser producto de la convergencia de los flujos de ASS (López et al. 2008). Además, esta subregión se caracteriza por presentar los valores más bajos de Φ, lo que resulta en temperaturas, salinidades y densidades bajas y en agua rica en CID.

La AGC-2 presentó valores de temperatura y salinidad similares a los registradas por Godínez-Sandoval et al. (2003) para muestras de agua recolectadas en marzo en el norte del GC. Dichos autores registraron valores de temperatura y salinidad que fluctuaron entre 14.8 y 18.0 °C y entre 35.2 y 36.2, respectivamente. El norte del GC es somero (250 m en promedio), por lo que los procesos de evaporación son más intensos y dan lugar a la formación de AGC en invierno (Lavín et al. 1995). Además, el agua de esta subregión presentó bajas concentraciones de CID en comparación con lo encontrado en el canal de Ballenas, posiblemente porque la AGC-2, que se origina en el norte del GC, ha sido afectada por procesos de desgasificación y fotosíntesis.

El agua de la AGC-3, que se localizó al sureste de la RGI (figs. 2, 3, 4), se encontró más estratificada y presentó una termoclina y una picnoclina mejor definidas (figs. 3, 5, 6), con valores de Φ mayores que ~30 J m^-3. Esta subregión se localizó sobre la cuenca de San Pedro Mártir (estación 38, fig. 4) en donde se ha ubicado un giro anticiclónico permanente (Marinone-Moschetto y Lavín-Peregrina 2003). Creemos que parte del agua que surge de los umbrales San Esteban y San Lorenzo viaja por la superficie hacia el sur como resultado de la circulación termohalina (Bray 1988, Delgadillo-Hinojosa 2000, Torres-Valdés 2000). En su camino hacia la superficie dicha agua se calienta y, por lo tanto, se estratifica; esto, aunado a un alto contenido de nutrientes, favorece la fotosíntesis y, en consecuencia, la remoción de carbono. En un estudio realizado en invierno en el GC, Gaxiola-Castro et al. (1995) encontraron una asociación entre la productividad primaria y la estratificación. Estos autores también registraron valores más altos de productividad primaria hacia el sur de la RGI y encontraron que había baja productividad en las zonas de alta mezcla de la RGI.

Además, en la RGI se encontró un dominio de diatomeas y dinoflagelados en aproximadamente 70%, mientras que fuera de la RGI predominaron los flagelados y los cocolitofóridos. Esta información, de alguna manera, da una idea de las diferentes respuestas de los organismos fitoplanctónicos frente a las condiciones del ambiente. En el primero caso, en donde dominan los dinoflagelados, el agua es rica en CID y el pH puede llegar a valores de ~7.7, mientras que en AGC-3, el agua alcanza valores de pH >8 (Hernández-Ayón et al.2007b).

Relación CID vs temperatura

Con base en los datos de las tres campañas, se encontró una relación negativa alta (r² = 0.93, P < 0.05, n = 562) entre el CID y la temperatura (fig. 8a). También otras variables del sistema del CO₂, como el pH y la pCO₂, se correlacionaron con la temperatura. Se encontró que la mezcla controla la distribución del CID en la columna de agua, pero en el caso de las aguas superficiales, la relación inversa entre el CID y la temperatura posiblemente se deba a que en la zona eufótica la radiación solar calienta el agua y la fotosíntesis utiliza el CO₂, resultando en una disminución de CID. Estos procesos tendrían lugar mediante la reacción HCO₃- → CO₂ + OH- (Zirino et al. 1997) o por el simple consumo de CO₂ disuelto.

En particular, proponemos que las concentraciones de CID en la RGI, tanto en la superficie como en la vertical, están fuertemente controladas, en invierno, por los procesos físicos. Específicamente, el enriquecimiento superficial de carbono está favorecido por una mayor presencia del ASS en la columna de agua en combinación con la fuerte mezcla. Sin embargo, como se mencionó anteriormente, en la RGI ocurre una clara variación temporal, tomando como referencia lo observado en el canal de Ballenas (fig. 7). Se presentaron evidencias de las cuales se interpreta que la combinación ASS-mezcla (enriquecimientos) va desapareciendo gradualmente hacia el verano por (1) el hundimiento de la ASS, que trae como resultado una disminución gradual de agua rica en CID, y (2) el aumento temporal del volumen de AGC en la superficie, que se va calentando y estratificando y va generando un ambiente óptimo para el crecimiento fitoplanctónico. Por consiguiente, el CID disminuye en más de 200 μmol kg^-1 hasta llegar a un punto de equilibrio para que el ciclo estacional vuelva a empezar. Se observó un máximo de CID en invierno y una disminución gradual hasta llegar a valores de ~2080 μmol kg^-1 en el verano. Es probable que el otoño sea la época de equilibrio de las aguas superficiales porque alcanzan una fase oligotrófica, y el enriquecimiento de CID inicia de nuevo una vez que el ASS regresa a las aguas superficiales en invierno.

Aplicaciones de la relación DIC vs temperatura

Queda claro que el enriquecimiento de CID de finales de invierno fue producto del efecto de la mezcla intensa de ASS con el AGC y que este enriquecimiento disminuye de manera gradual hacia el verano en la medida en que el ASS se va hundiendo y el AGC domina en la superficie. El escenario oceanográfico anterior invita a ver a la RGI como un laboratorio natural y especial, y simplifica en cierta medida su estudio, evaluación y cuantificación.

La relación CID vs temperatura puede aplicarse en estudios con datos satelitales. En la actualidad se pueden utilizar imágenes de satélite de temperatura con resolución de 1 km y obtener mapas de estimaciones de CID (fig. 8b, c) y también de otras variables del sistema de carbono, tales como pH, pCO₂ u Omega aragonita superficial. En la figura 8b se muestra la imagen de temperatura satelital obtenida del sensor Modis Terra para los primeros 11 mm de profundidad el 21 de marzo de 2002 (un día antes del muestreo de marzo). En esta figura se pueden apreciar las subregiones oceanográficas referidas en este trabajo, siendo evidentes las bajas temperaturas (~15 °C) que se presentan en esta época en la subregión del canal de Ballenas (AGC-1), las temperaturas de entre 16 y 18 °C hacia las costas de Sonora (AGC-2) y las temperaturas mayores que 19 °C en la subregión AGC-3. Por otro lado, la figura 8c muestra el CID calculado después de aplicar el algoritmo generado por la relación CID vs temperatura usando las mediciones de las tres campañas. Tal como se esperaba, el mapa de CID muestra que los valores fueron más altos en AGC-1, similares a los medidos (~2300 μmol kg^-1), y disminuyeron hacia las otras dos subregiones. Una segunda aplicación de la relación CID vs temperatura es en la simulación que se muestra en la figura 8d, obtenida de la ecuación generada a partir de la relación CID vs temperatura, para la cual se utilizaron los datos generados de los tres cruceros realizados en la RGI. Mediante este ejercicio se obtuvo un CID calculado usando los perfiles de temperatura del canal de Ballenas de las tres épocas del año. En la figura 8 se muestran los perfiles obtenidos de la simulación y uno más que muestra las diferencias entre lo medido y lo calculado con el propósito de evaluar esta aplicación (fig. 8d, e). Se puede notar que los perfiles calculados son muy parecidos a los perfiles medidos en las diferentes épocas del año y que los rangos de CID también son similares. Sin embargo, se pueden apreciar diferencias positivas y negativas en los primeros 100 m y cómo estas diferencias disminuyen con la profundidad.

La correlación pH-CID (pH, pCO₂) puede ser útil en el desarrollo de algoritmos que relacionen el contenido de CID a partir de imágenes de satélite, datos de flujo continuo y datos hidrográficos en este tipo de sitios, donde los procesos físicos facilitan el uso de dicha aplicación. Por décadas han estado disponibles datos de satélite de mediciones precisas de temperatura, pero recientemente se han realizado progresos en la resolución de mediciones del océano usando satélites. La RGI nos permite realizar estudios de este tipo y podría funcionar como una estación de calibración para futuros satélites que inicien mediciones espaciales de CO₂. En este ejercicio, el error promedio de CID calculado por cada dato de temperatura en las aguas superficiales fue de ±20 μmol kg^-1, el cual en términos de pH y pCO₂ corresponde a ~0.02 unidades y ~20 μatm, respectivamente. Las diferencias en las aguas superficiales (<100 m) se pueden atribuir a otros procesos, ya que el perfil generado de la ecuación supone un dominio debido a procesos físicos como fue el caso de marzo. La ecuación utilizada en este trabajo aún tendría que ser evaluada con más mediciones y es por eso que no se incluye en este trabajo. Sin embargo, por sus condiciones oceanográficas especiales, el canal de Ballenas sería la primera opción para probar algoritmos vía estudios in situ de variables del sistema del CO₂ y aplicarlos usando mediciones satelitales.

 

CONCLUSIONES

Las masas de agua identificadas durante marzo de 2002 fueron AGC, ASS, AIP y APP. Las masas de agua predominantes en la RGI fueron el AGC y ASS, que corresponden a más del 80% del total del volumen. El AGC se encontró en toda la superficie en los primeros 100 m. El ASS tuvo dos distribuciones distintas: al noroeste se encontró llenando las cuencas Delfín, Salsipuedes y Tiburón, y al sureste se encontró entre 150 y 350 m de profundidad. El AIP no atravesó los umbrales y se localizó al sureste de la RGI, por debajo de los 500 m. Se encontró que el ASS es fuente de CID en las aguas superficiales en la RGI, y al aumentar su volumen en invierno y al mezclarse con el AGC por efecto de las mareas, toda la RGI se enriquece con CID. El enriquecimiento disminuye hacia el verano, cuando el ASS se hunde y al mismo tiempo el volumen de AGC aumenta en la superficie, según el análisis temporal del canal de Ballenas. En marzo, el AGC presentó tres tipos de agua formando tres subregiones oceanográficas asociadas a los procesos de mezcla con el ASS, tanto en la superficie como en la vertical: (a) la AGC-1 fue más fría y presentó los valores más bajos de estratificación y una alta concentración de CID; (b) la AGC-2 fue más salina y presentó una concentración de CID menor que la AGC-1, y su composición química posiblemente fue modificada por la influencia del norte del GC; y (c) la AGC-3 fue más cálida y menos densa, y presentó mayor estratificación y las menores concentraciones de CID. Se propone que la relación CID vs temperatura es una buena herramienta que podría aplicarse en futuros estudios mediante imágenes de satélite.

 

AGRADECIMIENTOS

Los autores agradecen el financiamiento por parte del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) al proyecto "Umbrales G33464-T" y por parte de la Universidad Autónoma de Baja California (proyecto No. 615). También agradecemos a Tania Camiro-Vargas por su entusiasta participación en el crucero de 2003 y a Vanessa Torres-Delgado y a los revisores de este trabajo por sus comentarios positivos y sugerencias.

 

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