DETERMINACIÓN DE ZONAS DE ALTA CONCENTRACIÓN DE

Distribución
de la clorofila-s durante CIMAR 9 Fiordos
Cienc. Tecnol. Mar, 29 (2): 87-94,
2006
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DETERMINACIÓN DE ZONAS DE ALTA CONCENTRACIÓN DE CLOROFILA-S EN LA REGIÓN
NORTE DE LOS FIORDOS Y CANALES AUSTRALES (CRUCERO CIMAR 9 FIORDOS) POR
MEDIO DE SENSORAMIENTO REMOTO*
REMOTE SENSING DETERMINATION OF HIGH CHLOROPHYLL-S CONCENTRATION ZONES IN THE
NORTHERN REGION OF THE SOUTHERN FJORDS AND INLETS (CRUCERO CIMAR 9 FIORDOS)
LUISA E. DELGADO
VÍCTOR H. MARÍN
Laboratorio de Modelación Ecológica,
Departamento de Ciencias Ecológicas,
Facultad de Ciencias, Universidad de Chile
Casilla 653, Santiago.
E-mail del primer autor: [email protected]
RESUMEN
Este ar tículo describe el uso de imágenes satelitales de clorofila superficial (clorofila-s), obtenidas por medio del sensor SeaWIFS, para la determinación de zonas de alta concentración de fitoplancton
en la región norte de los fiordos australes (42o S - 46o S). Las zonas de mayor concentración correspondieron al golfo de Ancud, boca del Guafo, sur de golfo Corcovado y canal Moraleda. Mediante el análisis
de 609 imágenes distribuidas entre los años 2000 a 2003 se analizó la posibilidad de usar el
sensoramiento remoto en el monitoreo de las condiciones biológicas de la zona. Los resultados sugieren fuertemente en contra de esta metodología, al menos para el sector estudiado.
Palabras claves:
Clorofila satelital, fiordos Australes, zonas de alta concentración.
ABSTRACT
This article describes the use of satellite images of sur face chlorophyll (chlorophyll-s), obtained
by means of the SeaWIFS sensor, on the determination of high phytoplankton concentration zones in the
nor thern region of the southern Fjords (42o S- 46o S). Areas with high concentration were: golfo Ancud,
boca del Guafo, golfo Corcovado south and canal Moraleda. We studied the possibility of using remote
sensing for the biological monitoring of this area, analyzing 609 images taken between the years 2000
and 2003. Results show that this is not an option for the study area.
Key words:
Satellite chlorophiyll, Southern Fjords, zones of high concentration.
INTRODUCCIÓN
Un ecosistema puede ser definido como un
conjunto de componentes bióticos y abióticos interactivos, multiescalar y de números medios (Jørgensen, 1992). Su naturaleza multiescalar implica que el análisis de su estructura y función
puede ser hecho en una gama diversa de escalas espacio-temporales. De acuerdo a la teoría
jerárquica de ecosistemas, las estructuras obser vadas en cada escala pueden ser explicadas
* Proyecto CONA-C9F 03-06.
sobre la base de distintos procesos (Jörgensen
& Müller, 2000). Para los ecosistemas marinos,
los patrones de meso escala (cientos de kilómetros) son explicados preferentemente sobre la
base de procesos advectivos (Haury et al., 1978;
Marín et al., 2003). Tales procesos generan,
consecuentemente, correlaciones tiempo-espacio que redundan en la imposibilidad de generar
mapas sinópticos si se utiliza un buque oceanográfico como única plataforma para el levantamiento de los datos de las variables de interés.
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Revista Ciencia y Tecnología del Mar, Vol. 29 (2) - 2006
El estudio sinóptico de la estructura espacial
de los ecosistemas marinos se ha visto favorecido por el uso de sensores remotos instalados a
bordo de satélites (Halpern, 2000). Por medio
de estas técnicas es posible analizar las estructuras que generan procesos tales como la surgencia costera (Marín et al., 2003) y los florecimientos de algas nocivas (Sellner et al., 2003;
Stumpf, 2001). En este último caso, la variable de
interés, concentración de clorofila, puede ser detectada en forma remota a través del sensor
SeaWIFS instalado a bordo del satélite Seastar de
NASA (http://seawifs.gsfc.nasa.gov/SEAWIFS.
html). El SeaWIFS es un sensor pasivo el cual
es afectado por la cobertura nubosa. Vale decir,
en presencia de nubes SeaWIFS es incapaz de
obtener la información requerida para realizar los
cálculos que permiten tener estimaciones de la
clorofila super ficial. Ello plantea una gran incógnita respecto de su uso en regiones australes
donde la cober tura nubosa tiende a ser dominante durante todo el año (Barbieri et al., 2001).
¿Cuál es la utilidad del sensoramiento remoto
pasivo en la zona sur de Chile? ¿Cuáles son las
escalas de tiempo y espacio en las que la información generada por el SeaWIFS y otros sensores pasivos resulta de interés? El principal objetivo de este trabajo fue analizar posibles respuestas a estas interrogantes. Un segundo objetivo
fue la determinación de zonas de alta concentración de clorofila en la región norte de los fiordos
australes de Chile (Mar Interior de Chiloé-Canal
Moraleda), especialmente durante el período del
Crucero Científico CIMAR 9 Fiordos, del cual este
trabajo forma parte.
MATERIALES Y MÉTODOS
El "Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor"
(SeaWIFS) es un sensor óptico instalado a bordo
del satélite Seastar (NASA). El propósito del proyecto SeaWIFS es proveer datos cuantitativos
de la bio-óptica de los océanos a escala global.
El sensor obtiene, por medio de métodos pasivos, información sobre la irradianza en ocho longitudes de onda la que se ve interrumpida en
presencia de nubes. Esta información, obtenida
con una resolución de 1 Km, es posteriormente
procesada por medio del SeaWIFS Data Analysis
System (SEADAS). Este programa contiene los
algoritmos para calcular la concentración de clorofila, así como otras variables bio-ópticas, a
par tir de datos de irradianza, meteorológicos y
de ozono. En este proyecto hemos utilizado el
algoritmo de color oceánico de 4-bandas (OC4)
para estimar la concentración de clorofila (O'Reilly
et al., 1998). Este algoritmo ha sido calibrado y
validado en diversas regiones del planeta (Hooker
& McClain, 2000). Sin embargo, debido a que
no se ha validado para el área de estudio, hemos denominado a la variable resultante como
clorofila satelital (clorofila-s) para diferenciarla
de aquella obtenida a partir, o validada a través, de muestreo directo (Marín & Delgado,
2003).
Uno de potenciales usos de las imágenes
SeaWIFS es el monitoreo de las condiciones biológicas de las aguas costeras (e.g. desarrollo de
florecimientos algales nocivos; Stumpf, 2001).
Con el propósito de evaluar esta posibilidad analizamos 609 imágenes distribuidas en tres años
(2001-2003). Dadas las características de la
zona (alta nubosidad) se usó esta serie de tiempo para propósitos estadísticos, aún cuando la
comparación respecto del crucero CIMAR 9 solo
corresponde a los datos del año 2003. El análisis consistió en determinar la probabilidad de
encontrar imágenes libres de nubes (nubosidad
< 20% en cada imagen) para cada mes del año.
Las imágenes resultantes fueron luego usadas
para determinar áreas de alta concentración de
clorofila, por medio de un sistema de información geográfico (Arcview 3.3). Las imágenes fueron georreferenciadas respecto de la línea de
costa y transformadas a formato de grilla. Para
los propósitos de este trabajo se ha definido
como "áreas de alta concentración" aquellas con
valores de clorofila-s mayores a 5 mg.L–1. En otras
zonas de la costa chilena, hemos usado como
límite de alta clorofila el valor de 1,0 mg.L–1 (Marín
& Delgado, 2003). Sin embargo, dada la alta heterogeneidad de los fiordos respecto de los valores de clorofila (Pizarro et al., 2005), los valores
superiores a 5 mg.l–1 reflejan de mejor manera
las zonas de alta clorofila.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La zona de los fiordos desde una perspectiva
remota
El análisis de disponibilidad de imágenes para
el período 2000-2003 mostró que, a escala anual,
solo un 15% (± 5%) de los días (92 de imágenes de
609) son despejados. La distribución mensual de
las probabilidades se presenta en la figura 1. El
seguimiento de parches de clorofila-s por medio
de técnicas tales como el rastreo de caracteres o
"feature-tracking" (Marín et al., 2003), se puede
hacer usando imágenes consecutivas (a intervalos
entre 1 a 7 días). Se realizó un cálculo teórico de
cuantas secuencias podrían estar disponibles en
una serie de tiempo de 92 imágenes sobre la
base de la ecuación (1):
Distribución de la clorofila-s durante CIMAR 9 Fiordos
Fig. 1:
Fig. 1:
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Distribución mensual de la probabilidad de días despejados sobre la zona nor te de los fiordos australes
(42o S- 46o S). Las probabilidades fueron obtenidas por medio del análisis de imágenes SeaWIFS entre los
años 2000 y 2003.
Clear sky day’s monthly probability distribution over the nor thern zone of the southern fjords (42o S- 46o S).
Probabilities were obtained analyzing SeaWIFS images between the years 2000-2003.
n
Sec = å i =1 ( N - di )
(1),
donde N = total de imágenes disponibles, di = lapso de tiempo entre imágenes para (i = 1 a 7).
Aún cuando se podría encontrar un máximo,
teórico, de 616 secuencias, el análisis mostró
solo 41 secuencias lo que corresponde a una
probabilidad igual a 0,06 de observar una secuencia. Por tanto, sobre la base de lo observado y considerando que se obtuvo sólo 92 imágenes claras de 609 analizadas, hay una probabilidad total de 0,009 (0,9%) de poder seguir
espacialmente un parche de clorofila sobre la
base de imágenes satelitales consecutivas. Esto
hace del monitoreo satelital de parches de clorofila-s, una estrategia muy poco aconsejable
para la predicción de la localización de florecimientos algales nocivos, al menos en la zona
norte de los fiordos australes.
Aún cuando el monitoreo satelital de corto
plazo no es aconsejable en la zona de estudios,
estas sirvieron para generar una visión de macroescala sobre sectores de mayor y menor concentración de clorofila-s. Para ello se determinaron promedio mensual de imágenes libres de
nubes, obteniéndose patrones de distribución de
la clorofila-s para los meses de noviembre, diciembre, enero y febrero. Un resumen de los
sectores de mayor concentración en la zona de
estudios se presenta en la figura 2. Este mapa
fue generado por medio de la integración espacial de los mapas mensuales de alta concentración de clorofila-s. Vale decir, representa zonas
donde son esperables valores de clorofila-s mayores a 5 mg·L–1 durante el período noviembrefebrero; las que ordenadas de norte a sur corresponden a:
·
·
·
·
El golfo de Ancud-seno Reloncaví,
La costa oeste (exterior) de la isla de Chiloé,
La boca del Guafo-golfo Corcovado sur y
El canal Moraleda.
El sector norte del golfo Corcovado, (i.e. la
zona que queda al este de la isla de Chiloé) presentó consistentemente bajos valores de clorofila-s. La secuencia temporal de los valores de
clorofila-s muestra que estos permanecen altos
durante el período noviembre-febrero, produciéndose una disminución notoria durante marzo.
Variación temporal de la clorofila-s durante la
segunda etapa del Crucero CIMAR 9 Fiordos
La segunda etapa del crucero CIMAR 9 Fiordos
se realizó entre los días 6 al 21 de noviembre de
2003, concentrándose en la zona del canal Moraleda, boca del Guafo y canales externos (CONA,
2004). Durante este período fue posible obtener
tres imágenes SeaWIFS (Fig. 3). Las imágenes
muestran que el 2 de noviembre, antes del inicio
de los muestreos, las mayores concentraciones se
presentaron en el golfo de Ancud con valores por
90
Revista Ciencia y Tecnología del Mar, Vol. 29 (2) - 2006
Fig. 2:
Fig. 2:
Distribución geográfica de las áreas con clorofila-s mayor de 5,0 mg.m–3.
Geographic distribution of areas with chlorophyll-s over 5.0 mg.m–3.
Fig. 3:
Fig. 3:
Distribución espacial de la clorofila-s durante la segunda etapa del crucero CIMAR 9 Fiordos.
Chlorophyll-s’ spatial distribution during the second phase of the Crucero CIMAR 9 Fjords.
91
Distribución de la clorofila-s durante CIMAR 9 Fiordos
sobre los 50 mg.L–1. El golfo Corcovado, boca
del Guafo y el nor te del canal Moraleda presentaron concentraciones entre 1,0 a 3,0 mg.L–1,
aún cuando se obser varon parches de alta clorofila-s en el golfo. Para el día 17 de noviembre,
el patrón se modificó drásticamente. Los valores en el golfo de Ancud disminuyeron por debajo de los 5,0 mg.L–1; los del golfo Corcovado (en
su par te norte) por debajo de 1,0 mg.L–1, mientras que el sur del golfo Corcovado, boca del
Guafo y norte del canal Moraleda presentaron
valores por sobre los 5,0 mg.L–1 con parches de
clorofila-s en exceso de 50,0 mg.L–1. Finalmente, para el día 19 de noviembre los parches de
alta concentración de clorofila-s habían desaparecido y la zona se presenta con concentraciones entre los 2,0 y 5,0 mg.L–1.
La Tabla I muestra una comparación para la
zona de boca del Guafo (despejada en las tres
imágenes) de los valores promedio. Con el propósito de generar un modelo explicativo de los
cambios obser vados en los valores de clorofilas se cálculo la tasa de crecimiento, r, a par tir de
la fórmula:
Clat = Clat - d e rt
donde, Clat = clorofila-s en el tiempo t, Clat-d =
clorofila-s en el tiempo t-d (d = días), r = tasa de
crecimiento y τ = t-d.
Los resultados muestran que la variación de la
clorofila-s promedio entre el 2 y el 17 de noviembre sería explicable sobre la base de un crecimiento del fitoplancton con un valor r de 0,15 d–1. Sin
embargo, la disminución observada entre el 17 y
19 de noviembre (r = –0,77 d–1) resulta difícil de
ser explicada sobre la base de interacciones biológicas pues correspondería a un pastoreo capaz de
disminuir la biomasa fitoplanctónica en un orden
de magnitud en dos días. Aún en zonas de alta
abundancia de zooplancton tal capacidad es difícil de ser obser vada (e.g. Huntley et al., 1987).
Tabla I.
Table I.
Con el propósito de evaluar la hipótesis alternativa de una disminución en la concentración de
clorofila-s debida a procesos físicos (e.g. mezcla o advección) se obtuvo datos de viento por
medio del sensor Quickscat, montado a bordo
del satélite Quickbird (http://poet.jpl.nasa.gov).
Quickscat es un radar que emite pulsos a la super ficie terrestre y posteriormente mide la potencia que es devuelta al instrumento transformándola en valores de velocidad y dirección del
viento (NASA, 2001). Solo se obtuvo información
de vientos de la región oceánica adyacente a la
zona de estudios para los días 16-19 de noviembre 2003 (Fig. 4). La figura 4a muestra que durante el 16 de Noviembre el viento, frente a la
boca del Guafo (círculo rojo en la figura), presentó una dirección desde el SW con velocidades
entre 4 m.s–1 y 6 m.s–1. El 17 de noviembre el
viento cambio de dirección viniendo principalmente desde el norte con velocidades entre 10 m.s–1
y 12 m.s–1 para la boca del Guafo. Para el día 18
de noviembre (Fig. 4b), la velocidad del viento
había aumentado hasta valores de 14 m.s–1 a
18 m.s–1 en la zona de interés, con una dirección
preferente desde el SE. Este último es el evento
de viento de mayor importancia, desde nuestra
perspectiva, pues podría explicar sobre la base
de fenómenos físicos (e.g. mezcla vertical turbulenta) la brusca disminución de clorofila-s entre
el 17 y el 19 de noviembre. En efecto, si se determina por medio de las ecuaciones fenomenológicas de Ekman (Pond & Pickard, 1983), la profundidad de mezcla para un viento de 18 m.s–1 a una
latitud de 43o S, esta sería superior a los 80 m. Por
tanto, es enteramente probable que la disminución
observada en la clorofila-s entre el 17 al 19 de
noviembre de 2003 se haya debido a un fenómeno
de mezcla vertical.
Sensoramiento remoto en los fiordos australes:
escalas y límites
La mayoría de los sensores remotos capaces de generar información relevante para el
análisis y monitoreo de los ecosistemas coste-
Variación temporal de la clorofila-s (mg.m–3) para la boca del Guafo durante los días 2, 17 y 19 de noviembre de 2003. La última columna muestra el resultado de calcular la tasa de crecimiento de la clorofila-s.
Ver texto para más detalle
Temporal variation o s-chlorophyll (mg.m-3) for Boca del Guafo during the 2, 17 and 19 of november 2003.
Last column shows the result of calculating the s-chlorophyll growth rate. See text for further details.
Fecha
06-Nov-2003
17-Nov-2003
19-Nov-2003
Promedio
Desviación
estándar
Valor
máximo
2,4
13,6
2,9
1,3
20,6
1,3
20,5
252,1
13,0
r (1/día)
0,15
-0,77
92
Fig. 4a:
Fig. 4a:
Revista Ciencia y Tecnología del Mar, Vol. 29 (2) - 2006
Distribución espacial y temporal de los vientos oceánicos superficiales entre las latitudes 39o S y 50o S durante
el 16 y 17 de noviembre 2003. El círculo rojo corresponde a la boca del Guafo.
Surface oceanic winds spatial-temporal distribution, between 39o S and 50o S (November 16 and 17). The red
circle corresponds to the Boca del Guafo.
Fig. 4b: Distribución espacial y temporal de los vientos oceánicos super ficiales entre las latitudes 39o S y 50o S
durante el 18 y 19 de noviembre 2003. El círculo rojo corresponde a la boca del Guafo.
Fig. 4a: Sur face oceanic winds spatial-temporal distribution, between 39o S and 50o S (November 18 and 19). The
red circle corresponds to the Boca del Guafo.
Distribución de la clorofila-s durante CIMAR 9 Fiordos
ros son pasivos. Esto es, obtienen datos provenientes de la super ficie del océano, tales como
la irradianza a distintas longitudes de onda, como
es el caso del sensor SeaWIFS. Una de las limitantes en el uso de estos sensores es su total
dependencia respecto de las condiciones de nubosidad imperantes al momento de sobrevolar
la zona de interés. Si la zona está cubierta de
nubes, entonces el sensor es ciego respecto de
la variable que se intenta monitorear. Nuestros
resultados, así como los publicados por Barbieri
et al. (2001), muestran que al menos para los
propósitos del monitoreo ambiental (e.g. seguimiento de florecimientos de algas nocivas, FAN)
el sensoramiento remoto es una estrategia muy
poco recomendable en los fiordos australes.
Esto es, existe una baja probabilidad (< 1%) de
obser var secuencias de imágenes con las cuales se puedan seguir parches de alta concentración de clorofila-s en el espacio a escalas de
tiempo conmensurables con las necesidades de
un monitoreo para aler ta de FANs.
Sin embargo, a escalas mayores (macro-escala) el sensoramiento remoto permite la caracterización espacial de los ecosistemas costeros.
Este es, de hecho, uno de los usos propuestos
para las imágenes satelitales generadas por
sensores pasivos en el estudio y la predicción
de mareas rojas en otras regiones geográficas
(Anderson et al., 2001). Por ejemplo, este análisis, resultante de promediar espacialmente las
imágenes disponibles, permitió caracterizar la
zona de estudios desde la perspectiva de la probabilidad de obser var altos valores de clorofilas (Fig. 2). Ello unido al análisis de otras variables posibles de ser obtenidas remotamente (e.g.
vientos super ficiales), permite generar explicaciones sobre las variaciones obser vadas en el
campo de la clorofila-s. En este caso específico, nuestros resultados muestran que aún cuando los patrones de macro-escala de clorofila-s
son consistentes de un mes a otro, ellos pueden ser modificados por eventos físicos de mesoescala como los ocurridos el 18 de noviembre
(Fig. 4b).
En resumen, la clorofila-s es una variable
cuyo análisis en la zona de los fiordos permite
una caracterización biológica de macro-escala, siendo posible diferenciar sectores de baja
probabilidad para valores altos (> 5 mg·L–1)
como el sector nor te del golfo Corcovado y
zonas de alta probabilidad como el golfo de
Ancud, boca del Guafo, sur del golfo Corcovado y canal Moraleda. A menores escalas espaciales y temporales el uso de esta variable
es poco recomendable.
93
AGRADECIMIENTOS
Este trabajo fue financiado por el Comité
Oceanográfico Nacional, como parte del Crucero
CIMAR 9 Fiordos. El uso de las imágenes SeaWIFS
forma parte de un contrato entre NASA y V. Marín.
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