Meteorología Colombiana

Meteorología Colombiana
N5
pp. 91–103
Marzo, 2002
Bogotá D.C.
ISSN-0124-6984
TELEDETECCIÓN APLICADA AL ESTUDIO DE FENÓMENOS OCEANOGRÁFICOS
SUPERFICIALES
JEIMMY MELO
Grupo de Investigación en Meteorología-U.N., Coinvestigador Proyecto “Proyecciones Climáticas Regionales e Impactos
Socioeconómicos del Cambio Climático en Colombia”. COLCIENCIAS-U.N.
Melo, J. 2002: Teledetección aplicada al estudio de fenómenos oceanográficos superficiales. Meteorol. Colomb. 5:91-103.
ISSN 0124-6984. Bogotá, D.C. – Colombia.
RESUMEN
El presente documento considera las variables físicas y biológicas parte importante en la integración del sistema climático, como mejoramiento al conocimiento de los procesos marinos presentes en las áreas marítimas colombianas mediante el aprovechamiento de los recursos tecnológicos disponibles en la actualidad para la obtención de información en tiempo real de procesos físicos y biológicos, acorde al mandato constitucional de desarrollo sostenible. Las imágenes de color del océano proporcionadas por sensores remotos localizados en los satélites, permiten estimar la productividad orgánica primaria de una manera sinóptica, en grandes áreas. Esto es de
gran importancia para apoyar más eficazmente el manejo racional de los recursos pesqueros y
para hacer una aportación sobre el papel del océano en el cambio climático global. El fitoplancton
marino puede alterar significativamente el intercambio de carbono en interacciones océanoatmósfera. La fotosíntesis marina reduce la presión parcial del CO2 en aguas superficiales, con el
resultado de que una porción de carbono orgánico recién formado (productividad nueva) se hunde fuera de la zona afótica. Lo anterior induce un efecto neto de flujo de carbono de la atmósfera
al océano. Una de las aplicaciones potenciales del uso de las imágenes de satélite de color del
océano es el cálculo de la concentración de clorofila y su relación con la sobrevivencia de larvas
de peces de interés comercial. Existen diferentes tipos de modelos matemáticos desarrollados
principalmente para aguas oceánicas concernientes en la realización de estimaciones de productividad primaria con base en imágenes de color del océano. Por ello, la necesidad de desarrollar
modelos similares para el cálculo de la productividad primaria del fitoplancton de las áreas marítimas colombianas, con el objeto de coadyuvar con el desarrollo de la acuicultura y la conservación de la biodiversidad en estas zonas marinas acorde a los Planes de Desarrollo de las Ciencias y Tecnologías del Mar en Colombia (PDCTM).
Palabras clave: Sensores Remotos, Fitoplancton
ABSTRACT
The present document is consider the physical and biological variables important part in the integration of the climatic system, like improvement to the knowledge of the present marine processes
in the Colombian marine areas by means of the advantage of the technological resources available at the present time for the obtaining of information in real time of physical and biological
processes, agreed to the constitutional mandate of sustainable development. The images of color
of the ocean provided by located remote sensors in the satellites allow to consider primary the organic productivity of a synoptic way, in great areas. This is of great importance to more effectively
support the rational handling of the fishing resources and to make a contribution on the paper of
the ocean in the global climatic change. The marine phytoplankton can significantly alter to the
carbon interchange in interactions ocean-atmosphere. The marine photosynthesis reduces the
partial pressure of superficial water CO2, with the result of which a portion of organic carbon just
formed (new productivity) sinks outside the afótica zone. The previous thing induces a net effect
of carbon flow from the atmosphere to the ocean. One of the potential applications of the use of
the images of satellite of color of the ocean is the calculation of the chlorophyll concentration and
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its relation with the sobreexperience of larvae of fish of commercial interest. Different types from
developed mathematical models for concerning oceanic waters in the accomplishment of estimations of primary productivity with base in color images of the ocean exist mainly. **time-out** for
that reason, the necessity of develop model similar for the calculation of the productivity primary of
the phytoplankton of the area marine Colombian, with the intention of help with the development
of the acuicultura and the conservation of the biodiversity in these zone navy agreed to the Plan of
Development of the Science and Technology of the Sea in Colombia (PDCTM).
Key words: Remote Sensing, phytoplanckton
1.
INTRODUCCIÓN
Entre las tecnologías de avanzada, hoy día se encuentra
la TELEDETECCIÓN, que se define como el grupo de
técnicas de colección de información confiable sobre las
propiedades físicas de superficie y su alrededor desde
cualquier distancia sin contacto físico. Su desarrollo a
escala mundial ha permitido contar con herramientas en
el proceso de adquisición, almacenamiento y análisis de
los datos sobre extensos territorios de manera eficiente,
rápida y exacta.
Por ello, es importante realizar el estudio y seguimiento
de procesos oceánicos tales como físicos y biogeoquímicos marinos; pues estos juegan un papel importante en el
clima mundial, son parte esencial en el ecosistema planetario e influyen en el desarrollo de gran parte de las actividades humanas. En el sistema climático, los océanos
influyen en el balance energético y el plancton juega un
significativo papel en los procesos de intercambio océano-atmósfera de gases de vital importancia, como el CO2
(segundo contribuyente al efecto invernadero (Najjar,
1995) y el dimetilsulfido (principal fuente de núcleos de
condensación de nubes en la atmósfera marina (Kéller,
Bellower & Guillard, 1989). Por lo anterior, el seguimiento y estudio de los procesos oceánicos, además de servir
de elemento importante para conocer mejor el funcionamiento del sistema climático y el comportamiento del
medio ambiente en general, es una herramienta importante para identificar el potencial socioeconómico y ambiental de diferentes regiones del océano, así como la
planificación de las actividades que allí se desarrollan.
La particular situación de Colombia como país tropical,
con una de las mayores biodiversidades del planeta, la
coloca en una situación privilegiada. En la geografía
costera del país se entremezclan desde zonas áridas en
la Guajira hasta selvas tropicales súper-húmedas en el
Chocó. Se encuentran bien representados los ecosistemas de estuarios, manglares y lagunas costeras, caracterizados por su alta productividad y biodiversidad. No
obstante, estas inmensas riquezas han sufrido deterioro
en valiosos ecosistemas como la Ciénaga Grande de
Santa Marta, la Ciénaga de la Virgen, el complejo coralino de las islas del Rosario y ciertas áreas de manglares
en el Pacífico Colombiano.
A partir de los años 80’s, los Planes de Desarrollo de las
Ciencias y Tecnologías del Mar en Colombia (PDCTM,
1990) (COLCIENCIAS, CCO & DNP, 2000), han venido
planteando las directrices generales que debería seguir el
país durante la década de los 90’s para llegar al siglo XXI
con una capacidad científica y tecnológica marina que le
permita aplicar los resultados de la investigación en la
toma de decisiones acertadas sobre el mar y sus recursos para lograr el desarrollo sostenible nacional.
Dada la importancia de las áreas marítimas para Colombia, desde hace algunos años el país ha establecido el
seguimiento y estudio de los procesos marinos a través
de diferentes métodos (mediciones en zonas costeras e
insulares, medición directa a través de instrumentos o
sondeos automáticos utilizados por los cruceros de investigación, entre otros) con lo cual se ha garantizado un
flujo de información básica y un conocimiento general de
estas regiones. No obstante, los requerimientos actuales
de la sociedad exigen más información en tiempo real y
avances en el conocimiento de las áreas marítimas, lo
cual demanda el uso de nuevas metodologías y tecnologías, para la obtención oportuna de datos sobre las variables marinas.
El IDEAM, como Instituto de investigaciones de Colombia
adscrito al Ministerio del Medio Ambiente, desarrolla
diferentes estudios en Meteorología Marina, entre los
cuales contempla el componente biológico marino dentro
de su modelo conceptual de sistema climático a través de
la variable clorofila, con el fin de interrelacionar el comportamiento de algunos grupos planctónicos con los
parámetros físicos y químicos que presenta el medio
marino, bien sea en condiciones normales o alteradas por
diferentes eventos tales como los relacionados con los
fenómenos ENOS.
Con esto en mente, se plasma dentro de este documento
un estado de avance sobre el trabajo correspondiente al
seguimiento de los procesos físicos y biológicos en las
áreas marítimas colombianas a partir de información
satelital, para realizar un aporte al conocimiento de las
fluctuaciones en el régimen de afloramientos en áreas
marítimas colombianas y determinar concentración de
clorofila como aproximación a la producción primaria, a la
vez, que la relación de parámetros físicos y biológicos,
que cumplan este objetivo básico en el desarrollo del
mundo moderno: el desarrollo con sostenibilidad.
2.
ESTADO ACTUAL DEL TEMA
Actualmente en Colombia, se dispone de información
sobre el ambiente marino que es obtenida por diferentes
instituciones (IDEAM, INVEMAR, CIOH, CCCP, INPA,
entre muchas otras). No obstante, la información ha sido
adquirida en forma aislada por las instituciones o por
diferentes proyectos de investigación y difícilmente se le
puede hacer comparable para realizar estudios que permitan tener una visión nacional de los espacios marinos.
Adicionalmente, los resultados de las investigaciones
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sobre el tema que deberían conformar el conocimiento
nacional, se encuentran consignadas en monografías y
revistas; dispersa en diferentes instituciones, sin un contexto sistémico.
A pesar de las ventajas que ofrece la disponibilidad de
sensores remotos emplazados en los satélites artificiales
de la tierra, para la obtención de información de procesos
marinos sobre grandes escalas; hasta el momento poco
se ha hecho en el país para incorporar esta alternativa en
el seguimiento y análisis de los procesos marinos. Se
hace necesario implantar una metodología para la asimilación y el análisis objetivo de esta información, su implantación dentro de un modelo interpretativo y la generación del conocimiento necesario para disponer de la
visión general de los procesos en los espacios marítimos
colombianos. Esto impulsaría no solo las ciencias computacionales y la informática, sino que daría una herramienta valiosa para la investigación nacional, mejoraría el
conocimiento en meteorología y climatología marina, la
biología marina y las ciencias del mar en general.
A continuación se presenta un estado de conocimientos
sobre las variables oceanográficas más representativas y
aspectos de teledetección relacionados con el seguimiento y análisis de procesos físicos y biogeoquímicos marinos.
3.
3.1.
CONDICIONES METEOROLÓGICAS DEL
ÁREA DE ESTUDIO
Condiciones Meteorológicas Normales en
el Pacífico Tropical
En esta región, los vientos alisios transmiten impulsos
permanentemente a las aguas superficiales del océano
transportándolas de Este a Oeste, formando una acumulación de agua importante en el sector occidental (vecindades de Australia, Oceanía y Sudeste Asiático).
En la Fig.1, se destaca la zona de convección y lluvia
donde también se encuentran las aguas oceánicas más
cálidas; donde además se ilustra la circulación normal en
el plano zonal (Este – Oeste), según Walker. El aire seco
desciende lentamente desde la alta troposfera sobre las
aguas frescas del Pacífico Oriental, fluye luego hacia el
Oeste a lo largo del Ecuador como parte del sistema de
vientos Alisios del Sudeste. Según se va desplazando
sobre aguas más cálidas el aire se va calentando y
humedeciendo hasta llegar a la región Australia – Indonesia, donde su humedad es condensada al ascender en
la zona de baja presión, formando nubes de gran desarrollo vertical que producen abundantes lluvias en la
región. (Montealegre & Zea, 1994).
3.2.
Condiciones Meteorológicas Normales en
el Gran Caribe
En esta región, se destaca la depresión de Colombia, que
cubre gran parte del Caribe colombiano con profundidades promedio de 3000 metros. En ésta, se presenta un
mecanismo de renovación constante de aguas profundas,
93
el cual está afectado por la circulación atmosférica de los
vientos Alisios (Donoso, 1990; Cabrera & Donoso,
1992). A lo largo de la costa Caribe sur, la ocurrencia de
una fuerte divergencia en el campo de viento, crea condiciones adecuadas para el desarrollo de surgencia caracterizado por la presencia de aguas frías y altas salinidades.
Figura 1. Condiciones Normales del Pacífico Tropical.
©Copyright NASA
Un elemento importante de la circulación del Caribe colombiano, es la contracorriente Panamá – Colombia, la
cual es ocasionada por la variación de la intensidad y la
dirección de los vientos Alisios. Esta contracorriente se
interrelaciona con el sistema de surgencia colombiano,
en términos de localización de la zona de convergencia
de estas dos masas de agua, lo cual ocurre entre Urabá y
las Islas del Rosario. (IDEAM, 1998).
4.
4.1.
CONDICIONES OCEANOGRÁFICAS DEL
ÁREA DE ESTUDIO
Procesos Físicos en Aguas Marítimas
Colombianas
Hasta años recientes el seguimiento de los procesos
físicos se hacía con la medición de temperatura superficial del mar, salinidad, nivel del mar y corrientes, como
las variables de mayor significación, que se medían en
estaciones costeras e insulares o en barcos de investigación. Con base en los datos obtenidos de estas mediciones, se ha logrado describir una gran diversidad de procesos físicos en las áreas marítimas de Colombia.
Así por ejemplo, el primer estudio hecho sobre esta temática en Colombia, fue llevado a cabo entre 1965 y 1966
recibiendo el nombre de “ACENTO” (The Augmented
Colombian EL NIÑO Tuna Oceanography), donde se
recolectaron datos que permitieron un estudio de la variación estacional y espacial de las propiedades físicas y
químicas del Pacífico colombiano, además de encontrar
la presencia de un “frente salino” que se encontraba
frente al litoral Pacífico colombiano (Forsbergh, 1969).
Posteriormente, en estudios realizados por Andrade
(1992), (evaluación de la distribución geostrófica de las
variaciones de la circulación), Miller (1983) (establecimiento de la influencia del fenómeno de El NiñoOscilación del Sur en el Pacífico oriental para la afectación de la circulación en el Pacífico colombiano), Ñañez
(1992) (características de los procesos oceanográficos y
meteorológicos relacionados con el fenómeno el Niño y
su incidencia sobre las aguas oceánicas y costeras en el
Pacífico colombiano durante la realización del crucero
oceanográfico PACIFICO XX ERFEN XVII), Rangel &
Montealegre (1997) (tendencias en el incremento del
nivel medio del mar en la zona correspondiente a Tumaco y Buenaventura), Corredor & Morel (2001) (descripción de la variación temporal y vertical de la estructura de
la masa de agua, de sus alimentos y materia orgánica
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disueltos y de la clorofila a del fitoplancton, con énfasis
en la variabilidad característica de las aguas del Caribe
tropical) y otros autores más, se lograron establecer estudios puntuales reveladores de las condiciones oceanográficas más representativas de las éstas áreas.
4.2.
Procesos Biológicos en las Aguas Marítimas Colombianas
Los sistemas biológicos tanto del Caribe como del Pacífico colombiano han sido objeto de muchos estudios. La
energía proveniente del sol, el dióxido de carbono del aire
(CO2), el agua y los minerales del suelo, son utilizados de
manera selectiva por las plantas (productores primarios),
los animales, etc., en función de las velocidades o tasas
de cambio de los nutrientes o de los ciclos biogeoquímicos más relevantes (IDEAM, 1998). El fitoplancton marino es un conjunto de algas unicelulares microscópicas
que flotan en la superficie del océano y son transportadoras pasivamente por las corrientes. (Tait,1971; Purdie,
1996 en: Rojas & Pabón, 2000); además se constituye
en su mayoría con microorganismos, los cuales sistemáticamente están integrados por grupos de diatomeas,
heterocontas, cianofíceas, clorofíceas, flagelados (dinoflagelados, silicoflagelados y cocolitofóridos). (Balech,
1977; Escobar, Castillo & Barbosa, 1993). Dentro de
estos procesos biológicos, se ha encontrado que el fitoplancton (conjuntos de organismos vegetales que se
encuentran suspendidos en una columna de agua) en
Colombia ha registrado cerca de 1.314 especies de algas
(Duque, 1996), según la riqueza y variedad de ecosistemas y de hábitats existentes en el país.
Así por ejemplo, se cuenta con estudios en el archipiélago de San Andrés y Providencia, en donde la Corriente
del Caribe, al chocar con las variaciones geomorfológicas
representadas por cayos, provoca la formación de movimientos ciclónicos que favorecen la surgencia de aguas
profundas y aumentan la productividad en ciertas áreas
(Arias, 1994; Giraldo, 1994).
Así por ejemplo, se ha descrito sobre la actividad biológica mediante el análisis de los datos de clorofila-a medida
por unidades de investigación que opera la Armada Nacional, tal es el caso de Andrade (1992), quién mediante
el uso de sensores remotos realiza estudios sobre la
variabilidad anual del contenido de clorofila y de carbono
orgánico en la superficie del mar Caribe observada desde
el Costal Zone Color Scanner (CZCS); donde encuentra,
desde el punto de vista de circulación superficial, que la
influencia de la contracorriente del Darién, es marcada al
observar la distribución de los pigmentos hacia el oeste
en la estación de vientos y hacia el este durante la estación de lluvias; además de encontrar que la costa centroamericana tiene una marcada estacionalidad con mucha producción durante el monzón, lo que no ocurre con
el archipiélago de San Andrés, ya que las composiciones
mensuales analizadas muestran mínimos valores de
clorofila en esa área, lo que indica que el sistema tiene
muy poca producción primaria.
En Castillo & Vizcaíno (1992), encontramos que el comportamiento de la temperatura superficial del mar (TSM)
94
al igual que las variaciones atmosféricas a nivel global
indicaban la evolución de un evento El Niño-Oscilación
del Sur (ENSO) y que basándose en los datos obtenidos
sobre indicadores biológicos, los dinoflagelados se encontraron con mayor abundancia en aguas oceánicas
que en aguas costeras, lo que era indicativo de condiciones normales.
Un año después, Castillo & Osorio (1993), realizaron un
estudio que contribuye a mejorar el componente del fitoplancton marino superficial como indicador biológico de
anomalías oceanográficas caracterizando corrientes
marinas propias del Pacífico relacionadas con las diferentes etapas de “EL NIÑO” en sus diferentes grados de
madurez, indicadores biológicos que coincidieron con el
inicio de las anomalías térmicas indicativas de la evolución de un evento cálido.
Independientemente de la profundidad, seriedad y aporte
al conocimiento de los resultados de estas investigaciones, es difícil tener una visión general de los procesos
biológicos en las áreas marítimas colombianas.
El análisis de los procesos biológicos marinos con una
variable biológica que cubre toda la zona marítima colombiana se inició en 1999 con la implantación en el
IDEAM de una metodología para la obtención y uso de
datos de color del océano generados en el pasado por el
Costal Zone Color Scanner (CZCS), ubicado en el pasado satélite Nimbus 7 de la NASA el cual operó de noviembre de 1978 hasta Agosto de 1986 (Rojas & Pabón,
2000). Con el uso de estos datos fue posible analizar en
aproximación nacional la actividad biológica en el Caribe
y el Pacífico colombiano.
5.
OCEANOGRAFÍA
Esta área de investigación es de especial interés, pues la
superficie de la tierra en nuestro planeta representa sólo
el 29% del área total del globo (color grisáceo) y el 71%
de nuestra superficie es agua (Fig.2). Por ello, el estudio
de sus constituyentes y su distribución, el comportamiento de masas de agua y sus características físicas, químicas y biológicas que encierra a escala global, la interacción océano-atmósfera y los organismos vivos que se
encuentran en ella, permiten obtener una descripción
clara y sistemática del espacio marítimo de nuestro país.
Teniendo esto en cuenta, a continuación se muestran los
aspectos más relevantes a lo largo de este estudio.
Figura 2. Mapa Global de Nuestro Planeta
5.1.
Temperatura Superficial del Mar (TSM)
Es esta la más popular y masiva aplicación de percepción
remota en estudios marinos. La razón puede encontrarse
en que los datos que la hacen posible, comenzaron a
producirse en la década de los 70´s y se han mantenido
MELO: TELEDETECCIÓN APLICADA AL ESTUDIO DE FENÓMENOS OCEANOGRÁFICOS SUPERFICIALES
operacionalmente hasta la actualidad. Otras razones,
radican en la simplicidad de toda la cadena tecnológica
necesaria para el procesamiento de estos datos, lo que
redunda en bajos costos de producción.
Esta aplicación es posible debido a que todo cuerpo
emite energía electromagnética, de acuerdo, principalmente, a su temperatura; lo que se enmarca dentro del
concepto de Percepción Remota Pasiva de Energía Emitida. Los instrumentos (Sensor) captan la emisión de
superficie de los objetos y específicamente para el mar,
el emisor es la "piel" de las aguas (Fuente y Objeto)
(Fig.3).
En principio, lo que finalmente se obtiene se denomina
Temperatura Brillante, pero las características del agua
de mar, semejantes en este aspecto a un cuerpo negro,
permiten finalmente determinar Temperatura Superficial
del Mar (TSM) con un grado adecuado de confiabilidad (+
- 1ºC).
La temperatura es una variable física que representa la
cantidad de energía interna en un sólido, líquido o gas.
En el caso de la temperatura superficial del mar (TSM),
es una variable que informa sobre la cantidad de energía
disponible en la capa superior del océano que está en
contacto con la atmósfera. A través de esta variable es
posible inferir sobre otros procesos físicos, químicos y
biológicos debido a que influye en el comportamiento de
gran parte de ellos. Hay por ejemplo una relación muy
estrecha entre la temperatura de la superficie del mar, la
salinidad y densidad del agua superficial; también entre la
temperatura superficial del mar (TSM) y la actividad biológica. A través de la temperatura superficial del mar
(TSM), es posible hacer seguimiento a procesos de interacción con la atmósfera como la evaporación y el flujo de
energía que intervienen en el clima. Los anteriores argumentos fundamentan suficientemente la idea de tomar
TSM, como una variable para hacer seguimiento a los
procesos físicos marinos.
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Figura 3. Percepción Remota Pasiva de Energía Emitida
La distribución de temperatura es zonal: las isotermas de
temperatura corren de este a oeste. En los bordes este
de los océanos, la temperatura disminuye por el afloramiento de aguas subsuperficiales mas frías (Por ejemplo,
en la costa oeste de Norteamérica o de Sudamérica).
Corrientes frías que bajan desde los polos puede hacer
que este patrón zonal también se rompa (como es el
caso de la Corriente de Labrador sobre la costa este de
los Estados Unidos). Nótese también, la acumulación de
aguas cálidas al norte de Australia, generada por los
persistentes vientos alisios, soplando de este a oeste.
5.1.1.
Fenómeno El Niño y La Niña
El Niño y la Niña son condiciones anómalas en la temperatura superficial del mar en el Pacífico Tropical Este
(Fig.4). Bajo la definición más aceptada, El Niño (La
Niña) corresponde al estado climático en el que la temperatura de la superficie del mar esta 0.5°C o más, por
encima (debajo) de la media del período 1961-1990 (anteriormente el período 1950-1979), por al menos seis
meses consecutivos.
5.2.
Clorofila a
En el fitoplancton se encuentran pigmentos asimiladores
como las clorofilas, los carotenoides y las ficobilinas, los
cuales absorben la energía lumínica necesaria para fotosintetizar los compuestos orgánicos a partir de los inorgánicos, proceso denominado “fotosíntesis”. (Balech,
1977; Weyl, 1970 en: Rojas & Pabón, 2000).
Figura 4. Temperatura Superficial en el Océano Pacífico Durante el Fenómeno El Niño y La Niña
Se considera que la clorofila a es la mas importante debido a que es el pigmento fotosintético fundamental que no
falta en ninguna alga ni planta superior. (Las demás clases de clorofila suelen ser denominadas accesorias). Por
lo anterior, la cantidad de clorofila-a puede representar la
actividad biológica y a través de la misma se puede inferir
sobre procesos más complejos que ocurren en el ambiente marino. La clorofila a absorbe su energía de las
longitudes de onda Violeta –Azul (400 – 500 m) y Rojo
naranja –Naranja (600 – 700 m), y un poco de las longitudes de onda intermedias (Verde-Amarillo-Naranja (500
- 600m)); también absorbe en el extremo naranja-rojo
del espectro (con longitudes de onda mayores y menor
energía) (Fig.5).
Si un pigmento absorbe energía lumínica, puede ocurrir
una de las tres cosas siguientes:

Energía se disipa como calor


La energía puede ser reemitida inmediatamente a
una longitud de onda mayor. Este fenómeno se conoce como fluorescencia
La energía dispara una reacción química, como en la
fotosíntesis. La clorofila únicamente dispara una reacción química, cuando se asocia a ciertas proteínas
embebidas en la membrana (como en el cloroplasto)
o en los pliegues interiores encontrados en los procariotes fotosintéticos como las cyanobaterias y las
proclorobacterias.
La clorofila muestra un máximo de absorción en la región
del azul y el violeta entre los 429m y 453m respectivamente y con un menor en 410m y 430m. Además de
la absorción en la región azul-violeta presenta un pico de
absorción en la región del rojo entre los 642m y 660m.
(Fig.6).
MELO: TELEDETECCIÓN APLICADA AL ESTUDIO DE FENÓMENOS OCEANOGRÁFICOS SUPERFICIALES
5.2.1.
Medición a través de percepción remota
La medición de la clorofila a se puede realizar mediante
la utilización de sensores remotos, los cuales permiten la
obtención de datos del color del océano, entre los que
podemos destacar la clorofila a. Este, se basa en que las
propiedades ópticas son controladas por la concentración
96
de las partículas biogénicas y la materia disuelta, el fitoplancton, las bacterias y sus productos de biodegradación (Lewis, 1992). Por ello, las variaciones en las propiedades ópticas modifican la distribución espectral y
geométrica del campo de luz en el agua, permitiendo así
la alteración en el color del mar.
Figura 5. Componentes celulares y su comportamiento a la reflectancia. ©Copyright Multispectral Remote Sensing
and Agriculture
las corrientes (Tait, 1971); estas algas unicelulares, contienen pigmentos especiales que causan la coloración de
las mismas en la mayor parte del océano (Lozano,
1978).
Figura 6. Muestra de los rangos de absorción de las
Clorofilas. ©Copyright Biología Molecular
Los sensores remotos utilizados para este tipo de mediciones son el Costal Zone Color Scanner (CZCS), el
Seaviewing Wide Field – of – view Sensor (SeaWiFS) y el
MODIS.
5.3.
Fitoplancton y su Actividad Biológica
El fitoplancton marino es definido, como un conjunto de
algas microscópicas unicelulares que flotan en la superficie del océano y que son transportadas pasivamente por
El fitoplancton está compuesto por cianofíceas, dinoflagelados y diatomeas principalmente (Fig.7); dominando las
primeras por su importancia ecológica en cuanto al suministro de nutrientes y componente principal del fitoplancton en el área Caribe; es además fijadora del N atmosférico y sus mayores concentraciones están generalmente
acompañadas por los mayores valores en las concentraciones de diatomeas y dinoflagelados; por ello, es indudable la importancia de éstas en la comunidad fitoplanctónica, al proveer al medio los elementos necesarios
para mantener el resto de la biocenosis (comunidades
con relaciones de dependencia, alimentación y desarrollo
definido por las plantas). Muy importante también es su
papel como microsubstrato para gran cantidad de organismos (Borstad & Borastad, 1976).
Los cambios dependientes del tiempo en la dinámica del
fitoplancton son inducidos por un juego interno entre los
procesos físicos, químicos y biológicos de manera compleja. En los trópicos donde existe disponibilidad de luz
durante todo el año, la dinámica del fitoplancton es controlada dentro de un rango en el cual los nutrientes de las
plantas son suministrados a las capas oceánicas más
superficiales. Esto, influenciado por los vientos superficiales, permite que las aguas sub-superficiales ricas en
nutrientes suban a la superficie incrementando rápida-
MELO: TELEDETECCIÓN APLICADA AL ESTUDIO DE FENÓMENOS OCEANOGRÁFICOS SUPERFICIALES
mente la biomasa del fitoplancton conocida como afloramientos.
Al contrario de las aguas tropicales, los mares templados
y polares, tienen la concentración de nutrientes apropiada
para el crecimiento del fitoplancton, pero su intensidad
lumínica varia constantemente durante la época de esta-
CIANOFÍCEAS
DIATOMEAS
Cianofícea sp.
Chaetoceros
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ciones: en invierno por tener una intensidad muy baja no
permite un crecimiento adecuado del fitoplancton; en
primavera la productividad del fitoplancton presenta un
rápido desarrollo, constituyéndose en un evento importante para el Atlántico Norte, los mares polares y las
aguas costeras.
DINOFLAGELADOS
Ornithocercus
Bacteriastrum
Oscillatoria (principal)
Peridinium Cinctum
Oscillatoria limosa
Nitzschia sp.
Figura 7.
Fitoplancton Característico de las Aguas Marítimas Colombianas
El fitoplancton durante su proceso de fotosíntesis, remueve dióxido de carbono disuelto en el agua marína
para producir azúcares y otras sustancias orgánicas
liberando oxígeno, lo que permite determinar una fuerte
influencia en la química del océano. Este incremento de
concentración de dióxido de carbono que puede producir
un efecto de calentamiento global (efecto invernadero),
recalca la importancia que tiene el ciclo del carbono en la
esfera terrestre. Al igual que el fitoplancton, la productividad oceánica (productividad primaria) juega un papel
importante en los ciclos biogeoquímicos globales en la
vida terrestre y marítima; por ello, su variabilidad y magnitud es poco conocida a escala global, debido a la alta
variabilidad espacio-temporal de las concentraciones de
fitoplancton marino.
El fitoplancton también juega un papel importante en el
calor almacenado de la Tierra, pues el dimetil súlfido
(DMS), un producto biológico del metabolismo algal,
puede influir en la formación de pequeñas nubes en el
océano (Charlson, 1987 en Lewis, 1992), además puede
interactuar física y químicamente en la atmósfera formando núcleos de condensación realzando el albedo que
enfría la tierra proveyendo una retroalimentación negativa
a un calentamiento por dióxido de carbono CO2.
Las mediciones sinópticas de la concentración de fitoplancton marino son requeridas para probar adecuadamente las hipótesis a escala espaciales específicas o de
interés. Como se sabe, el fitoplancton tiene un periodo de
vida corto (1-10 días) y está sujeto a las corrientes mari-
nas en un rango de escala espacio-temporal. Consecuentemente, el campo de pigmentación del océano se correlaciona consigo mismo en escalas de tiempo de 1-10 días
y escalas espaciales 1-5 Km aproximadamente, dependiendo de las condiciones ambientales (Abbott & Zion,
1987 en: Lewis, 1992).
Las observaciones por satélite de esta variable, son el
único medio para mediciones a escalas globales requeridas y para muestreo con suficiente resolución espaciotemporal permitiendo aliar estimaciones en un periodo y
en una gran escala. Permite además “revisitar” varias
áreas del océano con el fin de monitorear cualquier cambio de pigmentación ya sea debido a procesos biológicos
por crecimiento, o transporte físico por corrientes oceánicas o marinas.
Según Corredor (1976), la dinámica del fitoplancton está
íntimamente ligada a los patrones de circulación marina y
atmosférica; continua afirmando que la productividad del
fitoplancton en aguas tropicales, puede estar estrechamente controlada por la tasa de suministro de nitrógeno
fijado a la zona eufótica, presentando enriquecimiento en
aguas continentales dependiendo de las características
geológicas de la cuenca hidrográfica, induciendo además
procesos de mezcla a través de la picnoclina generando
como consecuencia un aumento en la fertilidad de las
aguas costeras. Años después (Corredor, 1979), se
evidencia que el enriquecimiento de nutrientes inorgánicos a través de surgimiento al este del Caribe Colombiano estimula el crecimiento del fitoplancton; crecimiento
MELO: TELEDETECCIÓN APLICADA AL ESTUDIO DE FENÓMENOS OCEANOGRÁFICOS SUPERFICIALES
que sin embargo es perceptiblemente más bajo que el
observado en la surgencia de ecosistemas presentes en
las corrientes principales debido al empobrecimiento de
las aguas de la surgencia de la Guajira. Esto induce a
una relación entre la producción del nitrato y el aumento
de la biomasa en las concentraciones de fitoplancton
marino.
5.4.
Color del Océano
El color del océano está determinado por las interacciones de luz incidente con sustancias o partículas presentes en el agua. Los constituyentes más significantes son
el fitoplancton y las partículas orgánicas. El fitoplancton
posee clorofila a, la cual absorbe luz a longitudes de
ondas rojas y azules en el verde. La materia particulada
refleja y absorbe la luz, la cual reduce la transmisión de
luz del agua. Las partículas disueltas en el agua también
pueden afectar el color del océano.
El fitoplancton puede conferir un color particular al agua,
en cuyo caso hablamos de discoloración o alocoloración
del mar. El color inducido por éste fenómeno varía no
solo en intensidad y matices, sino que puede hacerlo
mucho en longitud de onda. Cuando hay gran aumento
de la masa fitoplánctónica se habla de una floración o un
florecimiento; casi siempre el estudio de estas formaciones revela la presencia de individuos de una sola especie
o especies en dominancia compartida o codominancia.
Las floraciones tan densas como para producir discoloraciones notables suelen ser muy localizadas y de una
duración variable.
Existe una relación entre el espectro de luz solar dispersa
por las capas superficiales y la distribución de los pigmentos del fitoplancton en estas capas. Por lo tanto, las
mediciones por satélite son utilizadas para la medición de
la productividad primaria, definida como la tasa de fijación
de carbono y la capacidad del fitoplancton para producir
materia orgánica (capacidad fotosintética).
Para el estudio del color del océano desde satélites se
utiliza el concepto de Percepción Remota Pasiva de
Energía Reflejada. En este aspecto lo que captan los
instrumentos (Sensor) es la energía proveniente del Sol
(Fuente), la que es reflejada por la superficie del agua
(Objeto) (Fig.3).
En la Fig.8, se muestra la respuesta espectral, en porcentaje de reflectancia, de tres típicos tipos de agua. Las
aguas oceánicas puras (curva A) presentan una alta
reflexión en el rango azul (400 – 500 m) y muy baja en
los rangos verde y rojo (500 – 700 m), razón explicativa
del color azul que apreciamos en los océanos, especialmente en lugares distantes de la costa. La curva B es la
respuesta espectral de aguas con un contenido moderado de fitoplancton, cuyo pigmento (clorofila) produce una
disminución de reflexión (mayor absorción) en el rango
azul y un aumento en el rango verde. La curva C nos
muestra la reflexión de las aguas con alto contenido de
fitoplancton como también de sedimentos, cuyo resultado
es aguas de tonos oscuros verdes y amarillos. Estas
98
últimas aguas son típicas de zonas costeras donde existe
el proceso oceánico de surgencias.
La situación anterior, en conjunto con la importancia del
fitoplancton en la cadena alimentaria del mar, en la química del océano y por consiguiente en los ciclos del carbono, oxígeno y de otros elementos químicos fundamentales para la vida, han generado un creciente interés
científico sobre la distribución y variaciones de estos
distintos tipos de aguas.
5.4.1.
Medición del color del océano
Los efectos ópticos en el océano, son producidos cuando
la luz visible del sol ilumina la superficie del océano;
dentro de los cuales encontramos los efectos de absorción y reflexión de la luz. El primer efecto (absorción),
remueve algunas longitudes de onda selectivamente,
mientras permite la transmisión de otras; el segundo
efecto (reflexión) debajo de la superficie del agua, es
generalmente ineficiente, retornando solo un pequeño
porcentaje de la intensidad de la luz que cae en la superficie del océano.
En el océano, la luz se refleja de la materia particulada
suspendida en el agua; a absorción, es primariamente
debida a pigmentos fotosintéticos (clorofila) presentes en
el fitoplancton. El resultado neto de estas interacciones
ópticas, es la radiación de la luz desde la superficie del
océano. La radiación medida, puede estar cuantitativamente relacionada con varios constituyentes en la columna de agua que interactúan con la luz visible, como por
ejemplo, la clorofila. La concentración de ésta, en cambio, puede ser usada para calcular la cantidad de corbono producido por la fotosíntesis, conocido comúnmente
como productividad primaria.
Ecuaciones semi - empíricas simples pueden ser usadas
para estimar la concentración de clorofila a (fitoplancton)
o de carbono orgánico disuelto, y sus productos de degradación de mediciones de satélite de la luz solar dispersa a tres longitudes de onda, 443, 520 y 550 m,
cubriendo las regiones azules y verdes del espectro, con
una resolución espacial de 1 Km. Estas radiaciones no
son reflejadas desde la superficie del mar, sino que son
derivadas de la luz solar que ha entrado al océano; siendo selectivamente absorbida, dispersa y reflejada por el
fitoplancton u otro material orgánico suspendido en las
capas superficiales y luego dispersada a través de la
superficie (Rojas & Pabón, 2000). Esta aproximación,
permite estimaciones cuantitativas de concentración de
pigmentos de fitoplancton, dentro de los 10 metros superficiales del océano abierto y dentro de algunas capas
subsuperficiales o profundidades menores en aguas
costeras.
6.
PERCEPCIÓN REMOTA APLICADA AL
SEGUIMIENTO DE VARIABLES
OCEANOGRÁFICAS
MELO: TELEDETECCIÓN APLICADA AL ESTUDIO DE FENÓMENOS OCEANOGRÁFICOS SUPERFICIALES
La observación de la tierra realizada desde el espacio es
una de las formas viables de recolección de información,
con las características requeridas, para la modelación del
99
clima y para estudios de las condiciones superficiales del
planeta en escala local, regional y global.
Figura 8. Respuesta espectral de tres tipos de agua: A. Oceánicas, B. Con contenido moderado de fitoplancton y C.
Con alto contenido de fitoplancton
Uno de los problemas básicos y por ende una de las
metas de la oceanografía, es el examen sinóptico y continuo de las propiedades de una región oceánica. En el
mar podemos estudiar intensamente una área pequeña
alrededor de nuestro barco, pero somos incapaces de
compararla con condiciones críticas que están ocurriendo
simultáneamente a 5 ó 100 Km de distancia. Los sensores presentes en satélites han extendido nuestra área de
estudio y nos han proporcionado la habilidad de observar
repetidamente grandes regiones del océano. Así mismo,
el estudio de parámetros y fenómenos oceanográficos
asociados a la distribución térmica superficial del océano
(corrientes, surgencias (upwelling), frentes oceánicos,
etc.), como la productividad primaria del fitoplancton
puede ser llevada a cabo mediante imágenes térmicas y
de color del mar captadas por los satélites.
En noviembre de 1978 el Coastal Zone Color Scanner
(CZCS), a bordo del satélite Nimbus-7 captó los primeros
datos de color del océano, que en 1990 derivarían en la
primera imagen de concentración de pigmentos a escala
global. La NASA planeó la operación del CZCS como una
misión de prueba de concepto, en la cual el principal
objetivo era demostrar que mediante la descomposición
espectral de la luz que emerge de la primera profundidad
óptica, se puede determinar, con fundamentos similares a
la espectrofotometría, la concentración de la clorofila ahí
presente. Una de las grandes justificaciones de este
proyecto se fundamentó en que la concentración de clorofila tiene una relación directa con la biomasa del fitoplancton, entonces las imágenes de color del océano
permiten tener una idea de las variaciones espacio temporales de esta.
A partir de las imágenes de pigmentos y utilizando diferentes modelos es posible calcular la producción nueva
de los océanos, la cual representa el componente crítico
que limita el transporte de CO2 de la superficie a las
aguas profundas por la biota, y también representa el
límite máximo de biomasa extraíble de un ecosistema sin
colapsarlo. La biomasa del fitoplancton y la concentración
de la clorofila-a, fueron medidos dentro de los factores
biogeoquímicos del océano que afectan o influyen en el
cambio global del carbono, efectuado a través de 8 bandas espectrales (1 a 6 en la región óptica del espectro
electromagnético de los 400 –700 nm, y 7-8 en la región
del infrarrojo cercano o reflectivo de los 745-885 nm)
(NASA, 2000). Esta herramienta abre una nueva posibilidad para el estudio de los flujos de carbono en las escalas regional y global, y de días a años. El producir información sobre la productividad orgánica a partir de las
imágenes de espectroradiómetros remotos podrá también
ser útil para un mejor manejo de las pesquerías oceánicas y para entender mejor el impacto de fenómenos
naturales que pueden ser catastróficos como los eventos
ENSO (El Niño-Oscilación del Sur).
En la actualidad se cuenta con grandes avances en el
desarrollo de esta tecnología. La NOAA cuenta con el
AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer),
sensor localizado en los satélites de órbita polar de la
NOAA, que permite hacer el seguimiento del campo de
radiación de onda larga que emite la superficie del océano; posee un rango espectral de cinco bandas de diferente longitud de onda: visible, cercano al infrarrojo e infrarrojo térmico (Rao et al., 1990; NOAA, 2002) (Tabla 1).
La NASA (EUA) cuenta con el programa "Misión Hacia el
Planeta Tierra" (Mission to Planet Earth), el cual tiene
como contribución específica el programa EOS (Earth
Observation System). Dicho programa tiene como objetivo derivar productos geofísicos de observaciones globales, utilizando sensores remotos.
En la estructura de la EOS, el registro del color del océano es un punto importante, y se pretende que la comunidad de ciencias de la tierra cuente con una serie de tiempo ininterrumpida de datos de color del océano. Este
esfuerzo lo inició el proyecto OCTS por parte de Japón
en 1996, y a este sensor le siguió el SeaWiFS (Sea-
MELO: TELEDETECCIÓN APLICADA AL ESTUDIO DE FENÓMENOS OCEANOGRÁFICOS SUPERFICIALES
viewing Wide Field-of-view Sensor) de Estados Unidos
ubicado en el satélite SEASTAR de la NASA desde 1997,
que permite disponer de información acerca de los procesos biológicos que se desarrollan en diferentes regiones del océano (Borrego, 1996; NASA, 2000; Rojas &
Pabón, 2000). Cuenta con 8 bandas espectrales de diferente longitud de ondas (Fig. 9); su propósito es suministrar datos del color del océano durante cinco (5) años
para examinar los factores que afectan el cambio global y
valorar el papel del océano en los ciclos biogeoquímicos,
especialmente en el ciclo global del carbono. Los datos
del SeaWiFS, serán utilizados para clarificar la magnitud
y variabilidad de la clorofila y la producción primaria por el
fitoplancton marino, determinando la distribución de afloramientos fitoplanctónicos.
100
En la Tabla 2, se muestra el almacenamiento de los datos de color del océano del SeaWiFS, de acuerdo con la
definición estándar por niveles:
Generalmente, los métodos tradicionales para medir la
productividad del fitoplancton son laboriosos y no permiten llevar a cabo muchas mediciones. De esta manera el
lograr el entendimiento del papel del fitoplancton en una
escala global ha sido lento. Una solución a la falta de
información de la productividad primaria y para una mayor comprensión del papel de fitoplancton en los ciclos
biogeoquímicos, es el desarrollo de modelos matemáticos. Con la información de biomasa de fitoplancton (pigmentos fotosintéticos) generada mediante sensores remotos, aplicada a modelos de productividad, se puede
tener una estimación sinóptica de la tasa fotosintética del
fitoplancton en grandes regiones oceánicas.
Tabla 1. Características Generales AVHRR
BANDA
SATELITE
NOAA
7, 9, 11,
12, 14
Canal 1 0.58-0.68
micras
RANGO
ESPECTRAL
VISIBLE
IFOV SIGNOS VITALES
(mrad)
MEDIDOS
UTILIDAD
1.39
Solo es útil Muestra los sedimentos en el agua.
en el día.
Nubosidad diaria,
sedimentación
oceánica.
Delineación de la
superficie acuática, hielo y
Canal 2 0.725-1.10
micras
CERCANO AL 1.41
INFRARROJO
Canal 3 3.55-3.93
micras
INFRARROJO
MEDIO
1.51
Temperatura superficial del mar,
nubosidad nocturna
Canal 4 10.3-11.3
micras
INFRARROJO
TÉRMICO
1.41
Canal 5 11.5-12.5
micras
INFRARROJO
TÉRMICO
1.30
Temperatura superficial del mar,
nubosidad día y
noche
Temperatura superficial del mar,
nubosidad día y
noche
OBSERVACIONES
Solo es útil Cubre la región de alta reflexión infraen el día.
rroja de vegetación. Elimina bien la
niebla atmosférica si se usa junto con
el canal 1 para observaciones durante
el día
Día y no- Muestra una mezcla de reflejos de luz
che
solar e infrarroja, emitido de fuentes
cálidas. Trabaja bien en la noche
cuando se encuentra disponible la
radiación emitida
Día y no- Muestra sólo la emisión térmica de la
che
región en observación. La radianza de
las nubes está relacionada con su
temperatura.
Día y no- Muestra sólo la emisión térmica de la
che
región en observación. La radianza de
las nubes está relacionada con su
temperatura.
MELO: TELEDETECCIÓN APLICADA AL ESTUDIO DE FENÓMENOS OCEANOGRÁFICOS SUPERFICIALES
101
Figura 9. SeaWIFS
Tabla 2. Características Generales SeaWiFS
DATOS
DEFINICIÓN
Nivel 1 Radiación medida por el
sensor a cada una de las
longitudes de onda detectadas.
Nivel 2
Parámetros geofísicos (valores calculados de las radiaciones detectadas por el
sensor).
Nivel 3
Datos geofísicos globales de
poca resolución, asimilados
estadísticamente en una
grilla global de 9 Km x 9 Km
(o bins).
UTILIDAD
Es útil para investigaciones de propiedades ópticas de las aguas oceánicas;
desarrollo de algoritmos que utilicen
radiación para calcular parámetros
oceanográficos.
Cálculo de parámetros como la concentración de clorofila o el coeficiente
de atenuación difusa (medida de claridad del agua). Utilización de valores
ópticos atmosféricos para procesos de
corrección atmosférica.
Utilizados para generar un producto de
nivel 3 semanal, mensual y anual; en
los cuales los valores de cada parámetro geofísico en cada bin son promediados bajo el período de tiempo apropiado.
La utilización de sensores remotos para estas estimaciones requiere de un conocimiento preciso de las propiedades bio-ópticas del agua (perfil de clorofila, variación
vertical del coeficiente específico de absorción del fitoplancton, variación espectral y angular del campo de luz
bajo el agua) (Watts et al., 1999), parámetros fisiológicos
del fitoplancton (eficiencia cuántica de la fotosíntesis,
pendiente inicial y número de asimilación de la relación
fotosíntesis-irradiancia) (Kyewalyanga et al., 1998) y las
condiciones ambientales (localidad geográfica, nubosidad, irradiancia incidente) (Morel, 1997).
La percepción remota, puede ser considerada como
herramienta imprescindible en el diseño de estudios
oceanográficos, con el fin de generar conocimiento
necesario para disponer de una visión general de los
Pueden ser desplegados en imágenes de
color falso en rangos de valores notables.
Las imágenes del nivel 2 están basadas
en la concentración de clorofila.
Son en ocasiones utilizados por investigadores interesados en fenómenos globales
y fenómenos a gran escala (Niño, Niña).
Pueden ser utilizados también para estimar la productividad primaria regional y
global.
espacios marítimos colombianos que sirvan para la
toma de decisiones a nivel nacional.

Ésta técnica de colección de información, permite no
solo la adquisición espacio-temporal de la información a escala sinóptica; sino que además, facilita la
comprensión de eventos presentes en el medio marino y su interacción con la atmósfera.

La información biológica obtenida a través de sensores remotos sobre las áreas marítimas colombianas,
permite coadyuvar con el desarrollo de la oceanografía en el país y el recurso pesquero de la zona,
para un mejor manejo y aprovechamiento racional de
los recursos.

La información satelital sobre los procesos marinos,
permite realizar un aporte al conocimiento de las fluctuaciones en el régimen de afloramientos en áreas
marítimas colombianas, determinando así concentra-
CONCLUSIONES

OBSERVACIONES
Incluye instrumentos de calibración y
navegación.
MELO: TELEDETECCIÓN APLICADA AL ESTUDIO DE FENÓMENOS OCEANOGRÁFICOS SUPERFICIALES
ciones de clorofila-a como primera aproximación a la
productividad primaria, a la vez que la relación de
parámetros físicos y biológicos encaminados a un
desarrollo sostenible.
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