determinación de zonas de alta concentración de clorofila

de la clorofila-s durante CIMAR 9 Fiordos
Cienc. Tecnol. Mar, 29 (2): 87-94,Distribución
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,
Depar tamento 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 super ficial (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 fuer temente 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 surface 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 ex* Proyecto CONA-C9F 03-06.
plicadas 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 (Haur y 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
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Revista Ciencia y Tecnología del Mar, Vol. 29 (2) - 2006
de las variables de interés.
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 cobertura 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 nor te 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 concentra-
ción 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 par tir, 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
89
Probabilidad día despejado
Distribución de la clorofila-s durante CIMAR 9 Fiordos
Mes del año
Fig. 1.
Fig. 1.
Distribución mensual de la probabilidad de días despejados sobre la zona norte 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.
teórico de cuantas secuencias podrían estar disponibles en una serie de tiempo de 92 imágenes sobre la base de la ecuación (1):
(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
nor te de los fiordos australes.
Aún cuando el monitoreo satelital de cor to
plazo no es aconsejable en la zona de estudios,
estas sir vieron 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
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
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 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 parte norte) por debajo de
1,0 mg.L–1, mientras que el sur del golfo Corcovado, boca del Guafo y nor te 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 partir
de la fórmula:
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 interacTabla I.
Table I.
ciones 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). 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 impor tancia, 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.
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 fur ther 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: Surface 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
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 costeros 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 cubier ta 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 alerta 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 clorofila-s (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 meso-escala 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-es-
93
cala, 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.
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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