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