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Procesos acoplados fisico-biogeoquímicos en la plataforma patagónica:
producción primaria y flujos de carbono.
1. Introducción y objetivo general
Las plataformas continentales ocupan una fracción de sólo un 8% del océano, aun así
estas regiones concentran entre un 19- 28 % de la productividad primaria global y un
80% de la materia orgánica total enterrada en los sedimentos. Hoy es reconocido que
las plataformas continentales juegan un rol significativo en los ciclos biogeoquímicos
globales, por lo que un estudio cuantitativo de estos sistemas heterogéneos es crucial
para estimar los balances globales de nutrientes y del carbono (Müller-Karger et al.,
2005).
La plataforma continental Argentina al sur de ~39°S, conocida como plataforma
continental Patagónica (PCP), es uno de los ecosistemas marinos con las tasas de
productividad primaria más altas del océano global (Dogliotti et al., 2014). La alta
productividad de la PCP está asociada a la presencia de frentes oceánicos estables,
que forman el hábitat de una gran diversidad de especies (Acha et al., 2004). El
florecimiento fitoplanctónico en el frente del talud continental se extiende a lo largo de
1500 km, con altas concentraciones de clorofila desde la primavera hasta el otoño
(Romero et al., 2006). La zona de los frentes de marea abarca el interior de la PCP
desde el Golfo San Matías hasta Bahía Grande, y registra una alta productividad en la
primavera y el verano (Acha et al., 2004). La correlación observada entre zonas de alta
biomasa fitoplanctónica y flujos de absorción de CO2 atmosférico sugiere un vínculo
estrecho entre la producción primaria, la estratificación vertical y la dinámica del carbono
en la PCP. En consecuencia, la PCP resulta uno de los sumideros de CO2 por unidad de
superficie más significativos a nivel global (Bianchi et al., 2009). Un mejor entendimiento
del funcionamiento biogeoquímico de la PCP requiere de enfoques multidisciplinarios
que involucren la interacción entre la biodiversidad de los ecosistemas marinos,
procesos físicos complejos, y el intercambio de carbono con la atmósfera, los
sedimentos y el océano profundo. El ojetivo general de este proyecto es avanzar en el
entendimiento de los mecanismos físicos y biogeoquímicos que controlan los patrones
de producción primaria en la PCP, y sus efectos en el intercambio de CO2 con la
atmósfera.
1
2. Objetivos específicos e hipótesis de trabajo
•
Investigar los procesos físico – biogeoquímicos que determinan la producción
primaria y su variabilidad espacio – temporal sobre la PCP.
Hipótesis 1: la mezcla vertical en los frentes de marea y la surgencia en el frente
del talud son mecanismos claves para mantener altas tasas de producción
primaria una vez pasado el florecimiento primaveral.
Hipótesis 2: en determinadas zonas de la PCP existe una alta contribución de
producción nueva, mientras que en otras dominan los procesos regenerativos.
Hipótesis 3: el nitrato es el nutriente limitante, sin embargo, localmente, la baja
disponibilidad de silicato puede limitar el crecimiento de diatomeas.
•
Estudiar los mecanismos involucrados en la captura de carbono a través de la
PCP.
Hipótesis 4: las tasas de absorción de CO2 aumentan cuando predomina el
fitoplacton de gran tamaño.
Hipótesis 5: los sedimentos son un sumidero significativo de carbono, con
mayores tasas de depositación en zonas con alta exportación de carbono desde
la superficie.
3. Relevancia del problema
El florecimiento del fitoplancton en mares templados está fuertemente ligado al
desarrollo de la termoclina estacional, así como a la disponibilidad de nutrientes en la
capa fótica. El análisis de datos satelitales del color del mar mostró que en la PCP el
inicio del florecimiento fitoplanctónico (inferido a partir de la clorofila) se propaga de
norte a sur, y desde la plataforma exterior (Octubre) hacia la plataforma interior
(Noviembre), reflejando probablemente la variación en el flujo de radiación solar (Rivas
et al., 2006). Observaciones in situ en el norte de la PCP revelaron tres patrones
distintivos en el ciclo anual de la clorofila (Cla): la zona costera presenta mínima
amplitud estacional y es la más pobre en nitrato (sistema regenerativo); la plataforma
media presenta máximos bien marcados en primavera y otoño, ya que en el verano la
estratificación inhibe el flujo de nutrientes a la capa superficial, y la plataforma exterior
se caracteriza por concentraciones de Cla altas de primavera a verano, debido a la
2
influencia de las aguas de la Corriente de Malvinas (CM), ricas en nutrientes (Carreto et
al., 1995). En regiones costeras con alta disipación de energía por las mareas, como la
PCP, la mezcla vertical por las mareas afecta el comienzo de la estratificación (Simpson
y Sharples, 2012). Los frentes de marea (FM) patagónicos se forman en primavera y se
sostienen hasta el otoño entre las aguas costeras bien mezcladas por las mareas y las
aguas de la plataforma. La mezcla turbulenta en el lado homogéneo del FM sostiene su
alta productividad (Acha et al., 2004), con máximos de Cla generalmente localizados del
lado estratificado (o levemente estratificado) del frente (Carreto et al., 1986; Romero et
al., 2006; Papparazzo et al., 2010). Por otro lado, la alta productividad observada en el
frente del talud (FT) desde la primavera hasta el otoño se asocia a la dinámica de la
Corriente de Malvinas (CM). En particular, las correlaciones entre la temperatura y el
nitrato en esta zona dieron evidencia indirecta de surgencias de la CM (Carreto et al.,
1995; García et al, 2008). Más recientemente esta hipótesis fue estudiada con modelos
numéricos (Matano y Palma, 2008). Estas simulaciones mostraron que la intrusión de la
CM sobre el talud induce un mecanismo de surgencia permanente, y además la CM
influye significativamente la circulación de la PCP en escalas estacionales, generando
flujos transversales en la zona sur de la PCP que impactarían sobre la producividad
biológica (Matano et al., 2010; Sabatini et al., 2012). Otros estudios encontraron
evidencia observacional de intrusiones de la CM en el extremo norte de la PCP media,
que podrían inducir variaciones interanuales en la Cla (Piola et al., 2010).
Las tasas de producción primaria en primavera sobre la PCP estimadas en campo
mostraron una variación entre 275-5480 mgC m-2 d-1 (Lutz et al., 2010), con máximos en
el FT, donde también se midieron tasas entre 1960-7790 mgC m-2 d-1 (García et al.,
2008). La dinámica del CO2 en superficie está acoplada a la producción primaria
mediante la llamada “bomba biológica”, proceso en el cual la materia orgánica producida
por la fotosíntesis y su posterior hundimiento, exporta carbono (C) al océano profundo.
El déficit de CO2 resultante depende de los procesos de respiración y regeneración, y
éstos de la condición trófica dominante. Las cadenas tróficas herbívoras están
usualmente asociadas a abundancia de nutrientes y células grandes, con alta capacidad
de exportación, mientras que las cadenas tróficas microbianas presentan altas tasas de
reciclado y escasa exportación. Además, de acuerdo al grupo funcional al que
3
pertenezca, el fitoplancton juega un rol biogeoquímico distinto (LeQueré et al., 2005). La
distribución de los flujos de CO2 sobre la PCP muestra un patrón delineado
principalmente por los FM, en la zona costera del frente se encontró emisión de CO2
hacia la atmósfera, mientras que del frente hacia el talud los flujos son de absorción de
CO2 por el océano (Bianchi et al., 2009). Es posible que la emisión de CO2 en el sector
costero se deba a una combinación de factores físico-biológicos (altas concentraciones
de CO2 por la intensa mezcla vertical, transporte de materia orgánica a través del frente,
respiración de heterótrofos; Bianchi et al., 2009). Aún se sabe muy poco sobre las
relaciones entre las comunidades fitoplanctónicas dominantes y la eficiencia de la
bomba biológica en la PCP. En los FM la comunidad fitoplanctónica en primavera está
típicamente dominada por dinoflagelados (autótrofos y heterótrofos) en la parte
estratificada del frente, y diatomeas en la parte costera; aunque también se han
encontrado otros grupos de fitoplancton en estas zonas (Carreto et al., 1986; Lutz y
Carreto, 1991). Observaciones entre verano-otoño sobre la PCP interior y media
registraron una predominancia de comunidades autótrofas, flagelados pequeños
mayoritariamente, y diatomeas (Almandoz et al., 2007). Esos datos además indicaron
que sólo existe una correlación significativa entre la pCO2 y la clorofila cuando la
comunidad fitoplanctónica está dominada por diatomeas, señalando la necesidad de
estudiar en más detalle el rol de las comunidades de fitoplancton pequeño en la
dinámica del CO2 (Schloss et al., 2007). Por otro lado en una sección en la PCP en 47°S
se observó que los dinoflagelados no contribuyen al máximo de clorofila ni al flujo de
absorción de CO2 en esa región (Gómez et al., 2011). En el FT se han registrado
florecimientos primaverales caracterizados por abundancia de diatomeas (García et al.,
2008; Sabatini et al., 2012). En verano, el FT parece registrar, de acuerdo a su señal
satelital,
importantes florecimientos de cocolitofóridos (Signorini et al., 2006). Del
verano tardío al otoño del 2008, análisis de la composición pigmentaria detectó una
dominancia de picoplancton y nanoplancton en el FT, y en zonas de la PCP interior
(Moreno et al., 2012).
Hasta ahora los esfuerzos de modelado de la producción primaria en la PCP se
enfocaron en el uso de modelos basados en datos satelitales de Cla combinados con
datos de campo de los parámetros fotosintéticos (Dogliotti et al., 2014). También se
realizó un análisis de regresiones entre salidas de un modelo biogeoquímico global y
4
datos satelitales de la Cla y temperatura superficial del mar para estudiar la variabilidad
interanual de la productividad en la PCP, que en particular indicó que la CM transporta
altas concentraciones de nitrato, fosfato y silicato hacia el norte, pero poco hierro
(Signorini et al., 2009). Los modelos de ecosistemas acoplados a un modelo físico de
circulación (de ahora en más, modelos biogeoquímicos) brindan un marco para
investigar la dinámica acoplada de la producción primaria, flujos de nutrientes y
relaciones tróficas fundamentales que caracterizan a un ecosistema. Estos modelos son
también útiles para cuantificar flujos de C en el sistema (Fennel et al., 2008). Por otra
parte el ajuste de estos modelos será tanto mejor cuanto se validen con datos de
campo. Estos son escasos en el mar Argentino, no solo en representación de la
variabilidad de los grupos de organismos presentes (biodiversidad) y sus biomasas
(variables) sino especialmente en el caso de las tasas que determinan los flujos entre
los distintos niveles tróficos (parámetros fisiológicos). De la información disponible se
sabe que el ciclo del C en la PCP está relacionado a una alta productividad biológica
(Dogliotti et al., 2014), y altas tasas de absorción de CO2 atmosférico entre la primavera
y el otoño (Bianchi et al., 2009). Sin embargo se desconocen las transformaciones
biogeoquímicas que sufre el C en el mar Patagónico, así como su advección y
transporte por la circulación. En este sentido, el desarrollo de modelos biogeoquímicos
locales es importante para contribuir a una mejor evaluación del rol de la PCP en el ciclo
global del C, y por ende el clima. La alta productividad en los frentes de la PCP abarca a
toda la cadena trófica, llegando a predadores tope como mamíferos y aves marinas
(Acha et al., 2004). Una mejor comprensión de los factores que controlan el
funcionamiento de la producción primaria en la PCP es relevante para analizar y
predecir sus variaciones interanuales, para el estudio de las relaciones tróficas, y su
sensibilidad a potenciales cambios en las variables ambientales, así como para el
manejo de los recursos ecológicos y económicos de este ecosistema.
4. Resultados preliminares y aportes del grupo a la problemática en cuestión
Desde Julio 2013 la responsable de este proyecto forma parte del grupo de Dinámica
Oceánica del Servicio de Hidrografía Naval (SHN) y es miembro de la Carrera de
Investigador Científico del CONICET, siendo el Lic. Piola (CONICET-SHN-UBA) su
Director. Entre los años 2002 y 2011 realizó su doctorado (Universidad de Utrecht) y dos
post-doctorados (KNMI y Universidad de Utrecht, Holanda). Este proyecto representa
5
una línea de investigación sin precedentes en el país, por lo que su financiamiento
permitirá promover el avance del tema y generar trabajos con el grupo colaborador.
La IR tiene experiencia en la utilización y desarrollo de modelos biogeoquímicos. Como
parte de su investigación post-doctoral en la Universidad de Utrecht (UU), realizó una
expansión del ciclo marino del fósforo (P) en el modelo global del ciclo oceánico del
carbono HAMOCC (por sus siglas en inglés, Hamburg Ocean Carbon Cycle Model). En
este trabajo se logró mejorar significativamente el modelado del proceso de
remineralización del carbono orgánico particulado en el sedimento al incluir una
formulación para la descomposición anóxica, y se modeló la dinámica redox del P en el
sedimento (Palastanga et al., 2011). La IR implementó una descripción del ciclo del
hierro (Fe) en la columna de agua y los sedimentos para el modelo HAMOCC
(Palastanga et al., 2013). La nueva versión del modelo HAMOCC fue usada para
analizar la variabilidad conjunta del P, oxígeno y la productividad primaria en escenarios
glaciarios e interglaciarios (pre-industriales).
En el marco del proyecto CONICET “Modelado numérico del transporte de nutrientes en
zonas frontales de la plataforma patagónica” (en curso), la IR implementó una versión
del modelo regional ROMS (Regional Ocean Modeling System, Shchepetkin y
McWilliams, 2005) en una sección frente a Península de Valdés (PV). Se utilizaron
configuraciones 1D y 2D de ROMS acopladas a un modelo de ecosistemas (Fennel et
al., 2008), con un
total de 12 variables (nitrato, amonio, fitoplancton, clorofila,
zooplancton, detritos de C grandes y pequeños, detritos de N grandes y pequeños,
alcalinidad, y C inorgánico disuelto (TIC), y oxígeno). Se analizaron el rol de la
estratificación, vientos y mareas en el crecimiento estacional del fitoplancton, que
predijo que a diferencia de la plataforma media, la mezcla turbulenta en el FM sostiene
un flujo de nutrientes (regenerados en la columna de agua) hacia la superficie, que
mantiene altas tasas de productividad durante el verano (Fig.1a). En particular, se
observó que la variabilidad quincenal de las mareas induce movientos offshore-inshore
del FM que regulan los flujos de nutrientes y productividad en la zona del frente (Fig.1b).
Por otro lado, se encontró una clara diferenciación entre la variabilidad anual de los
flujos de CO2 en la zona costera, donde durante el período cálido predomina la emisión
de CO2 hacia al atmósfera, y la zona estratificada, donde la productividad determina
altas tasas de absorción de CO2 entre la primavera y el otoño, lo que está de acuerdo
con las observaciones.
6
Una de las colaboradoras, la Dra. Bianucci ha realizado varios trabajos en el área de
modelado biogeoquímico para la zona de surgencia en la plataforma de Vancouver
Island usando una versión 2D de ROMS (Bianucci et al., 2011; Bianucci y Denman,
2012). Realizó su tesis de Licenciatura en los Frentes de marea del mar Argentino y
flujos de CO2, junto con A. Bianchi, y ha colaborado con investigadores argentinos en un
trabajo sobre la distribución de nutrientes en la PCP (Papparazzo et al., 2010).
(a)
(b)
Figura 1. Sección transversal de la temperatura (contornos blancos) y producción primaria en el modelo 2D
(x-z) de PV (a), Diagrama Hovmoller que muestra la producción nueva (integrada en la vertical) entre
Septiembre-Marzo.
El Dr. Bianchi tiene amplia experiencia en la dinámica del C inorgánico en el mar
Patagónico y análisis de datos de C inorgánico, nutrientes y cálculo de flujos de CO2
entre el mar y la atmósfera. Los resultados de sus trabajos más recientes representan
un aporte de muy alto valor al área del ciclo del C en márgenes continentales. Estas
investigaciones brindaron por primera vez estimaciones del balance anual del
intercambio de C entre la PCP y la atmósfera, y permitieron inferir conexiones entre los
procesos físico-biológicos involucrados (Bianchi et al., 2005, 2009).
El Dr. Palma posee extensa experiencia en el área de modelado numérico y ha
desarrollado el primer modelo regional para la circulación en el Atlántico Sudoeste
(Palma et al., 2004, 2008). Ha realizado estudios sobre el fenómeno de surgencias en
corrientes de borde oeste, entre ellos, el asociado a la CM a lo largo del talud
continental argentino (Matano y Palma, 2008; Matano et al., 2010). También ha
investigado la circulación y frentes térmicos en los golfos patagónicos, y la dinámica de
7
frentes de marea (Tonini et al., 2013).
La Dra. Lutz es especialista en pigmentos fitoplanctónicos, bio-óptica y producción
primaria. Ha realizado trabajos sobre la distribución de la producción primaria y
comunidades fitplanctónicas en el mar Argentino (Lutz et al., 2010; Segura et al., 2013;
Dogliotti et al., 2014).
Adicionalmente, el presente proyecto se inserta dentro de las metas generales y
objetivos de los siguientes proyectos de investigación:
-
Variability of Ocean Ecosystems around South America (VOCES), CRN3070,
Instituto Inter-Americano para la Investigación del Cambio Global. A. R. Piola
Investigador Responsable (2013-2017).
-
Balance y variabilidad espacio-temporal del flujo de CO2 entre el mar y la
atmósfera en el Mar Patagónico. Su relación con la temperatura, la clorofila y la
producción primaria, Ministerio de Defensa. Director A. Bianchi, Co-directora V.
Lutz.
-
Impacto de la Corriente de Malvinas sobre la plataforma y océano adyacente,
PICT12 0467, Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica. E. D.
Palma, Investigador Responsable, Alberto Piola, Co-investigador (2013-2016).
5. Construcción de la hipótesis y justificación general de la metodología de
trabajo
La variabilidad espacio - temporal de la producción primaria en la PCP responde a la
interacción entre procesos físicos complejos (mezcla turbulenta en FM, surgencia en
FT), y la presencia de una gran diversidad de comunidades fitoplanctónicas. Los
modelos biogeoquímicos brindan una herramienta útil para analizar mecanismos claves
en el funcionamiento de un ecosistema, y predecir posibles escenarios, sin embargo,
hasta ahora esta metodología no ha sido utilizada en la PCP. Este proyecto propone
utilizar un modelo biogeoquímico que permita estudiar el rol relativo de los procesos
físicos y biológicos en la distribución de la producción primaria, y el impacto de estos
procesos en los flujos de C.
El objetivo 1 consiste en caracterizar distintos regímenes de producción primaria a
través de la PCP. El análisis en secciones transversales a la PCP permitirá analizar las
características del crecimiento del fitoplancton en relación a la dinámica de distintos
8
regímenes hidrográficos (incluyendo FM y FT) y su estacionalidad (hipótesis 1). Este
problema ha sido estudiado con observaciones in situ (Carreto et al., 1995) y satelitales
(Rivas et al., 2006), revelando diferencias que pueden deberse a la heterogeneidad de
procesos, variaciones interanuales, y técnicas de medición. Las hipótesis 2 y 3
contemplan la interacción entre las propiedades del ambiente físico, químico y biológico
que determinan que predomine la producción nueva o regenereda, y la limitación por
disponibilidad de silicato (Si). Observaciones del nitrato, fosfato y Si sobre la PCP
interior y media indicarían que el nitrato es limitante (Carreto et al., 1996; Papparazzo et
al., 2010), aunque en la región sur en primavera no se encontró limitación ni por nitrato
ni fosfato (Sabatini et al., 2012). Diversos estudios sugieren que en el norte la PCP
interior y media presentan un carácter regenerativo (Carreto et al., 1995; Lara et al.,
2010), mientras que en el sur una mayor importancia de la producción nueva estaría
asociada a la influencia de la CM (Matano et al., 2010; Sabatini et al., 2012). Los bajos
cocientes de Si:N encontrados en en el norte de la PCP media serían limitantes para el
crecimiento de diatomeas en esa región (Lara et al., 2010), y en el FT se registraron
secciones (~45°S) con bajos cocientes de Si:N en superficie, lo que sugirió un control
del sistema por silicato (García et al., 2008). Las hipótesis 4 y 5 consideran el rol de
comunidades fitoplanctónicas distintas en exportar C y el rol de los sedimentos en
acumular (o regenerar) C. En la PCP se registraron florecimientos de diatomeas en el
FT (García et al., 2008; Sabatini et al., 2012), dinoflagelados en el FM (Carreto et al.,
1986); y fitoplancton pequeño hacia fin del verano-otoño en ambos sectores (Almandoz
et al., 2007; Moreno et al., 2012). Se espera que el fitoplancton de gran tamaño induzca
altas tasas de exportación de C, que producirán las mayores tasas de absorción de
CO2, pero el proceso podrá variar con la dinámica físico - biogeoquímica de cada zona
frontal. Se espera también que existan diferencias en el patrón de depositación y
acumulación del C en los sedimentos de la PCP interior a la PCP exterior. Aunque falte
evidencia observacional, el ancho y extensión de la PCP sugieren que los sedimentos
puesen ser significativos en aislar al C de su intercambio con la atmósfera y el océano
profundo (Simpson y Sharples, 2012).
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6. Tipo de diseño de investigación y métodos
6.1 Área de estudio
El área de estudio comprende la PCP entre 39°S y 48°S (Fig. 2). Esta región incluye dos
de los más intensos frentes de marea de la PCP, el frente de mareas al este de la PV, y
el frente de mareas de Cabo Blanco (CB), al sur del Golfo San Jorge (Bianchi et al.,
2005). El régimen de mareas es semidiurno, con contribuciones variables de las
componentes M2 y S2 a la enegía cinética de las corrientes (Rivas, 1997). El patrón de
circulación medio sobre la plataforma responde al forzante de las mareas, vientos del
oeste, y la CM en el límite con el océano abierto, y está caracterizado por un flujo hacia
el noreste, de máxima intensidad en primavera-verano (Palma et al., 2008).
Figura 2. Dominio de estudio sobre la plataforma continental Patagónica. Se muestran las transectas donde
se implementará el modelo 2D, al este de Península de Valdés (PV) y de Cabo Blanco (CB).
La fuente principal de nutrientes a la región es la CM (Matano et al., 2010); la
depositación de aerosoles provenientes de la Patagonia también podría constituir una
fuente significativa de nutrientes (Gassó et al., 2010). El aporte de nutrientes por las
descargas continentales de los ríos patagónicos puede ser considerada despreciable
lejos de la faja costera. Por otro lado, la región está fuera de la influencia de la descarga
de agua dulce del Río de la Plata (Carreto et al., 1995).
10
6.2 Modelo biogeoquímico
a. Configuración del modelo físico
Para llevar a cabo los objetivos propuestos se utilizará el modelo regional de circulación
oceánica ROMS. Éste es un modelo hidrostático de ecuaciones primitivas, con
coordenadas sigma en la vertical (siguiendo la topografía del fondo) y coordenadas
curvilíneas en la horizontal, al que se puede acoplar un modelo de ecosistemas. Para
este proyecto, se propone utilizar configuraciones de ROMS en un dominio cuasi-2D
(periódico en la dirección norte-sur) para transectas transversales a la PCP, de la costa
al talud, con una resolución horizontal de ~ 5km.
Se propone utilizar la transecta frente a PV (~42.7°S), donde ya existe una versión de
ROMS implementada como se mencionó anteriormente, y una transecta frente a CB
(~47°S), a fin de estudiar variabilidad entre distintos sectores de la PCP.
En estas configuraciones cuasi-2D, es decir con uniformidad a lo largo de la costa, el
forzante de marea se impondrá en el borde abierto (este) del dominio, usando funciones
analíticas (componentes semidiurnas M2 y S2). En la zona del talud se configurará un
flujo meridional para simular la CM. También se incluirá el efecto de la advección sobre
la PCP configurando un flujo de sur a norte sobre la plataforma. Todos estos efectos ya
se han testeado e implementado en la transecta de PV.
La ventaja de utilizar una versión 2D de ROMS es el bajo costo computacional, lo que
permite realizar un alto número de simulaciones para por ejemplo testear la sensibilidad
de los resultados frente a variaciones en los parámetros del modelo. Este tipo de
modelos ha sido ampliamente utilizado para estudiar la productividad y ciclos
biogeoquímicos en, por ejemplo, zonas de surgencias (Bianucci et al., 2011), y frentes
de marea (Ji et al., 2006).
b. Configuración del modelo biológico
Para la componente biológica, se utilizará una versión modificada del modelo de
ecosistemas del tipo nutrientes-fitoplancton-zooplancton-detritos (NPZD, por sus siglas
en inglés) de Fennel et al. (2008). Este es un modelo para la dinámica del N en el agua
(en unidades de N) y la biomasa de autótrofos/heterótrofos, junto con una descripción
de la dinámica inorgánica del C. El modelo permite diagnosticar, entre otros, las tasas
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de productividad nueva y regenerada, la pCO2 en la superficie, los flujos de CO2 con la
atmósfera, y los flujos de desnitrificación en el sedimento. Para la transecta de PV,
como se mencionó anteriormente, ya existe una implementación de este modelo con un
número total de 12 variables. Para investigar el rol relativo de distintas comunidades de
fitoplancton en la captura y exportación de C sobre la PCP, y sus consecuencias para
los flujos de intercambio de CO2 con la atmósfera, se propone realizar una expansión
del modelo original para incluir dos grupos de autótrofos (fitoplancton de tamaño grande,
PL y de tamaño pequeño, Ps). Para ello se seguirá la formulación propuesta por Kishi et
al. (2007), disponible en ROMS, y que también incluye limitación por Si y dos grupos de
heterótrofos (zooplancton de tamaño grande y pequeño). Los dos grupos de tamaño de
fitoplancton en el modelo serán representativos de nanoflagelados y diatomeas (o
dinoflagelados) de gran tamaño. El rol de organismos calcificadores (cocolitofóridos) en
la dinámica inorgánica del C no será incluido. En el FM de PV se observó una
predominancia de microzooplancton (huevos de copépodos y nauplii, principalmente) en
la zona de transición, mesozooplancton (copépodos calanoides) en la zona estratificada,
y una distribución relativamente homogénea de macrozooplancton a través de todo el
frente (Acha et al., 2004). En la zona sur del FT se registró predominancia de
copépodos (Sabatini et al., 2012). Por lo tanto, los dos grupos de tamaño de
zooplancton
en
el
modelos
serán
representativos
de
microzooplancton
y
mesozooplancton. Una limitación del modelo a tener en cuenta es que no se incluyen
predadores superiores en la cadena trófica para regular al zooplancton, y por lo tanto la
biomasa del mesozooplancton no es comparable a las observaciones. (Actualmente la
IR está implementando estas modificaciones en el código de ROMS para ser testeadas
y utilizadas en el modelo existente de PV).
En segundo lugar, se propone realizar una expansión de la dinámica de los sedimentos
en el modelo biogeoquímico original. Las transformaciones del N y el C en los
sedimentos en zonas poco profundas son fundamentales para los flujos de nutrientes y
TIC que vuelven a la columna de agua (Soetaert et al., 2000). Uno de los objetivos del
presente proyecto es analizar la importancia de los procesos regenerativos en el
sedimento y la distribución del C retenido en los sedimentos sobre la PCP. Para ello se
implementará un esquema similar al desarrollado para la plataforma de Vancouver
Island (Bianucci et al., 2011), en colaboración directa con la Dra. Bianucci. En esta
12
formulación, la materia orgánica particulada que alcanza los sedimentos es acumulada
en una capa sedimentaria (en lugar de usar una condición de borde reflexiva) y los
procesos de remineralización y desnitrificación son modelados explícitamente siguiendo
un modelo verticalmente integrado en el sedimento (Soetaert et al., 2000). Esta
representación simula un retardo entre el tiempo de depositación de la materia orgánica
y el retorno de los compuestos inorgánicos disueltos a la columna de agua, y es
computacionalmente eficiente, es decir, puede ser implementada en forma sencilla en el
modelo cuasi-2D.
c. Calibración y validación
Se realizarán simulaciones anuales para el período Septiembre 2005 – Agosto 2006,
que es cuando se cuenta con la mayor cantidad de observaciones en secciones
transversales a la PCP de las campañas GEF (ver 6.3 Datos). Las condiciones inciales
para los nutrientes y las variables biológicas se derivarán de observaciones in situ,
bases
de
datos
globales
(CARS
o
WOA),
o
alternativamente
se
tomarán
concentraciones relativamente pequeñas (Fennel et al., 2008).
Para fijar los valores de los parámetros del módulo biológico se analizarán valores en la
literatura, y se realizarán ajustes y optimizaciones de los mismos. En particular, para los
parámetros fotosínteticos en el modelo (pendiente inicial de la curva P/I, y los
coeficientess de atenuación de la luz en el agua y por la Cla) se considerarán los
valores medidos sobre la PCP (Lutz et al., 2010; Segura et al., 2013). Estudios recientes
de la producción primaria con modelos satelitales mostraron una mejora significativa
cuando se utilizaron parámetros fotosínteticos locales (Dogliotti et al., 2014). Por último
se realizarán experimentos adicionales para evaluar la sensibilidad de los resultados a
cambios en los parámetros biológicos más importantes.
Los resultados del modelo calibrado (1 año completo) serán validados con datos in situ,
datos históricos, y de Cla satelital (ver 6.3 Datos). Para la componente de los
sedimentos al momento no se cuenta con observaciones sobre la PCP, por lo que se
recurrirá a datos en la literatura. Dentro del marco del proyecto VOCES se prevé la
determinación del C almacenado en los sedimentos en las regiones frontales
(P.Martinetto, CONICET/UNMDP).
13
d. Diseño de experimentos y análisis
La nueva versión del modelo será evaluada primeramente en la transecta de PV. Se
analizarán las características del florecimiento fitoplanctónico (inicio, magnitud y
duración) en el FT, PCP media y FM, y se evaluará la importancia relativa de la
producción nueva (basada en nitrato) y regenerada (basada en amonio) en cada uno de
estos sistemas (hipótesis 2 y 3). El rol de procesos físicos en las tasas de producción
primaria se analizará con una serie de experimentos, donde se propone: i) eliminar el
efecto de las mareas, ii) eliminar y variar la intensidad de la surgencia en el talud, iii)
simular inyecciónes de nutrientes por un flujo transversal desde el FT hacia la PCP
media. Con estas simulaciones se analizarán los efectos sobre la estabilidad vertical,
flujos verticales y horizontales de nutrientes, y la distribución y características de la
producción primaria sobre la PCP (hipótesis 1).
Para alcanzar el objetivo 2 se analizará la variación temporal conjunta del PS, PL y los
flujos de CO2 simulados y se evaluarán las diferencias entre el FT, PCP media y FM. La
comparación con flujos de CO2 medidos se llevará a cabo en colaboración con A.
Bianchi. A fin de testear la hipótesis 4, se realizarán una serie experimentos donde i) se
eliminará el efecto de los procesos biológicos a fin de analizar la variabilidad de los
flujos de CO2 asociada a las variaciones estacionales de la temperatura; ii) se
modificarán las tasas de crecimiento del PS y PL , alternadamente, a fin de analizar el
efecto relativo de cada grupo sobre la dinámica del CO2. El rol de los sedimentos será
evaluado a partir del análisis de los flujos de depositación, reciclado de C, y
acumulación, con énfasis en las variaciones espaciales relacionadas con las
características de la producción fitoplanctónica entre el FM y FT (hipótesis 5).
Se propone luego implementar el modelo en la transecta de CB. Como se describió
anteriormente, se espera que las diferencias observadas en este sector de la PCP en el
ambiente biogeoquímico (concentraciones de nutrientes) y dinámico (intrusiones de CM,
ancho de la plataforma, régimen de mareas), así como en los forzantes atmosféricos
(forzante radiativo, vientos) determine variaciones en la distribución y regímenes de
producción primaria respecto al sector de PV. La comparación del funcionamiento
biogeoquímico simulado en las dos transectas se enfocará en contrastar las hipótesis 2
y 3, y analizar la variabilidad estacional conjunta de los dos grupos de tamaño de
fitoplancton y los flujos de de CO2.
14
6.3 Datos disponibles
Climatologías del Centro Argentino de Oceanografía (CEADO) y del Instituto
Nacional de Investigación y Desarrollo Pesquero (INIDEP): se dispone de datos
históricos de temperatura, salinidad, nitrato, nitrito, fosfato, silicato, y oxígeno.
Proyecto ARGAU: para el período 2000 – 2005, datos a ~9 m de profundidad, en total
son 19 transectas en la PCP. Se cuenta con mediciones in situ de T, S, presión parcial
de CO2 (pCO2) en el agua y en el aire, fluorescencia, clorofila-a, oxígeno disuelto,
fitoplancton (diatomeas y pequeños flagelados).
Proyecto GEF-Patagonia: tres campañas organizadas por el Servicio de Hidrografía
Naval (a través de un proyecto del Global Environment Facility) en Octubre 2005, Marzo
2006 y Septiembre 2006, en total 7 transectas cortan la PCP (Charo y Piola, 2014). Se
cuenta con mediciones in situ de T, S, PAR, clorofila-a, C inorgánico disuelto (TIC),
absorción de materia particulada, alcalinidad, oxígeno disuelto, y pCO2; para algunas de
las transectas (zona sur de la PCP) se cuenta con nitrato, nitrito, fosfato, silicato;
parámetros fotosintéticos en superficie (Segura et al., 2013).
Datos satelitales del color del mar: clorofila-a superficial de las misiones SeaWifs
(1997 – 2010) y MODIS (2002 – en curso) con una resolución espacial de 2 km y
temporal de 5 días y mensual (http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/).
Datos satelitales de la temperatura superficial del mar: de los sensores AVHRR y
Modis Aqua (2002 – en adelante), con una resolución horizontal de 4 km
(http://podaac.jpl.nasa.gov/) y de hasta 1 km para períodos más recientes (2008 – en
curso, http://ourocean.jpl.nasa.gov/SST/).
Base de datos PANGAEA: se dispone de algunas observaciones de la concentración
de carbono particulado en sedimentos superficiales en la zona del talud continental
argentino (http://pangaea.de/).
OA Flux Project: datos diarios de flujos de calor (http://oaflux.whoi.edu/)
QuickSCAT: datos satelitales de viento en superficie, con una resolución temporal
diaria y espacial de 0.25° x 0.25°, para el período 1999 – 2009.
Reanálisis ERA-Interim del ECMWF: forzantes atmosféricos para el período
1979 – 2014, con una resolución de 1° x 1° (http://www.ecmwf.int/).
15
7. Conformación del grupo de trabajo
El grupo de trabajo incluye al Investigador Responsable, Dra. Virginia Palastanga, y al
Grupo Colaborador integrado por el Lic. Alberto Piola, el Dr. Alejandro Bianchi, el Dr.
Elbio Palma, la Dra. Laura Bianucci y la Dra. Vivian Lutz.
La responsable del proyecto estará a cargo del desarrollo, calibración y validación del
modelo biogeoquímico, así como del diseño de experimentos, su análisis e
interpretación. También llevará a cabo las tareas de procesamieno de datos que
servirán como puntos de inicialización y validación del modelo.
L. Bianucci participará en el desarrollo del módulo de sedimentos en el modelo, y en la
calibración y validación de esta componente. También será responsable del análisis e
interpretación de resultados.
E. Palma participará en el diseño e implementación de los procesos físicos en el
modelo, así como en el análisis de la consistencia entre los resultados físicos y
biológicos.
A. Bianchi será responsable de las estimaciones y análisis de los flujos de CO2 entre el
mar y la atmósfera, y participará en la validación del modelo con estos datos.
A. Piola participará en la validación del modelo con datos hidrográficos in situ, análisis
de procesos acoplados físico-biológicos, e interpretación de resultados.
V. Lutz participará en la validación de los resultados de producción primaria en el
modelo y en la interpretación de procesos acoplados físico-biológicos.
8. Cronograma de trabajo
Actividades
Configuración del modelo
Año 1
er
1
semestre
Año 1
do
2
semestre
X
Año 2
er
1
semestre
X
Procesamiento de datos
X
Calibración y validación del
modelo
X
X
Análisis caso de referencia
X
X
Experimentos y análisis
X
Interpretación de resultados
Publicación de resultados
Año 2
do
2
semestre
X
X
X
X
X
X
16
9. Referencias
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