Intercambio aire-mar de dióxido de carbono en la región mediterránea del Golfo de León

Abstract

Este estudio se enmarca dentro del trabajo de la comunidad científica para conocer y tener poder de predicción sobre el ciclo del carbono. Esta tesis se centra en el intercambio de dióxido de carbono (CO2) entre la atmósfera y el océano en el Mediterráneo. El Mediterráneo es un mar marginal en la zona templada, cuya aportación a los flujos de CO2 globales ha sido probablemente infravalorada, junto a la aportación de otros mares marginales en zonas templadas.

A partir de los datos de cuatros campañas oceanográficas (proyecto FAMOSO y proyecto HOTMIX), se amplía la base de datos del intercambio de CO2 en el Mediterráneo y se estudian los factores de variación a diferentes escalas.

La contextualización de nuestros datos junto a los datos de otras campañas oceanográficas desde el 1999 hasta la actualidad ha permitido estimar la tasa anual de incremento de la fugacidad del CO2 en la cuenca oriental (2.3 µatm) y occidental (1.3 µatm).

La variabilidad de la fugacidad del CO2 en el mar Mediterráneo muestra un gradiente longitudinal interrumpido por el efecto de diversos factores que actúan a nivel de subcuenca. El análisis masivo de los datos obtenidos por los sensores del buque de manera continua permite dilucidar que los factores físico-químicos (temperatura, salinidad y densidad del agua) son los que más covarían con la fugacidad del CO2, aunque con diferencias entre subcuencas. Otras variables como la actividad fotosintética (medida como fluorescencia), la temperatura del aire, la humedad, la velocidad del viento o la batimetría afectan en proporciones muy distintas a la distribución del CO2 en función de la subcuenca.

El Golfo de León es una de las subcuencas del Mediterráneo con más complejidad debido a la formación de agua profunda que ocurre a finales de invierno. Hemos estudiado su ciclo estacional combinando datos obtenidos en el buque con datos obtenidos por satélite. El ciclo estacional no difiere demasiado del ciclo de otras zonas previamente estudiadas en la cuenca occidental del Mediterráneo. El valor máximo de la fugacidad del CO2 ocurre en verano con 430 µatm, y el valor mínimo se observa a finales de invierno durante el bloom de fitoplancton provocado por el afloramiento de nutrientes durante la formaci6n de agua profunda. El gradiente de la fugacidad en este periodo llega a las -73 µatm que contrastan con las +0.5 µatm que se miden en la misma regi6n unos días antes, durante la formaci6n de agua profunda. Hemos identificado la temperatura y la combinaci6n de variables físicas y biológicas (ecohidrodinámica) como principales causantes de la variabilidad del CO2 en la región, y hemos estudiado la evolución del efecto biológico en el ciclo estacional. En el invierno tardío, la fugacidad y el gradiente del CO2 con la atmósfera presenta mucha heterogeneidad a nivel de submesoescala durante la formación de agua profunda y el consiguiente bloom fitoplanctónico. Se han usado las técnicas tradicionales en ecología como el análisis de componentes principales y un método de clustering novedoso para identificar las estructuras oceanográficas y biológicas que se forman en la región durante este periodo a partir de la temperatura, la densidad, la salinidad, el gradiente salino horizontal, la concentración de clorofila-a obtenida por satélite y la topografía dinámica obtenida, también, por satélite.

La relación entre las estructuras estudiadas ha permitido establecer la causa de la variabilidad de submesoescala del CO2. En la zona de convección profunda, el gradiente de CO2 con la atmósfera está prácticamente equilibrado, mientras que en el margen de la estructura, la incipiente producción biológica produce un flujo de CO2 de -3.4 mmol·m-2·day-1. Las aguas en la periferia de la convección profunda captan aún más carbono (-5.0 mmol·m-2·day-1) debido a la mayor estabilización de la columna (que permite una ligera acumulación de fitoplancton) y a la intensidad de viento (que aumenta la velocidad de intercambio entre la atmósfera y el océano). Cuando se estratifica la columna de agua, dos nuevas estructuras (diferenciadas por la cantidad de clorofila-a) resultan de la mezcla de las aguas de las tres estructuras de la fase previa. La estructura con más fitoplancton produce un gradiente de CO2 más negativo (-54 µatm), pero el flujo resultante es similar a ambas estructuras (-1.6 mmol·m-2·day-1) debido a la disminución de la intensidad del viento. En el estudio de estructuras, también se observó que las aguas de la plataforma continental, con poca concentración de clorofila-a, producían un gradiente (-74 µatm) y un flujo (-9.4 mmol·m-2·day-1) muy negativos.

Los patrones de variabilidad del CO2 ligados a estructuras oceanográficas también se observan en las otras zonas de formación de agua profunda del planeta, el Atlántico Norte y el Antártico. El uso de variables de satélite en nuestro estudio, puede permitir una mayor predicción en la captura y liberación de CO2 de estas regiones durante la formación de agua profunda.

Aquest estudi s'emmarca dins del treball de la comunitat científica per a conèixer i tenir poder de predicció sobre el cicle del carboni. Aquesta tesi se centra en l'intercanvi de diòxid de carboni (CO2) entre l'atmosfera i l'oceà al Mediterrani. El Mediterrani es un mar marginal a la zona temperada, la seva aportació als fluxos de CO2 globals ha estat probablement infravalorada, junt a l'aportació d'altres mars marginals en zones temperades.

A partir de les dades de quatre campanyes oceanogràfiques (projecte FAMOSO i projecte HOTMIX), s'amplia la base de dades de l'intercanvi de CO2 al Mediterrani i s'estudien els factors de variació a diferents escales. La contextualització de les nostres dades junt amb les dades d'altres campanyes mediterrànies des del 1999 fins a l'actualitat ha permès estimar la taxa anual d'increment de la fugacitat del CO2 a la conca oriental (2.3 µatm) i occidental (1.3 µatm). La variabilitat de la fugacitat del CO2 al mar Mediterrani mostra un gradient longitudinal

interromput per l'efecte de diversos factors que actuen a escala de subconca. L'anàlisi massiva de dades obtingudes pels sensors del vaixell de manera continua permet dilucidar que els factors fisicoquimics (temperatura, salinitat i densitat de l'aigua) són els que mes covarien amb la fugacitat del CO2, tot i que amb diferencies entre subconques. Altres variables com l'activitat fotosintètica (mesurada com a fluorescència), la temperatura de l'aire, la humitat, la velocitat del vent o la batimetria afecten en proporcions molt diferents a la distribució del CO2 en funció de la subconca. El Golf de Lleó es una de les subconques del Mediterrani amb mes complexitat a causa de la formació d'aigua fonda que succeeix a finals d'hivern. Hem estudiat el seu cicle estacional combinant dades obtingudes al vaixell amb dades obtingudes per satèl·lit. El cicle estacional no es gaire diferent del cicle d'altres zones préviament estudiades a la conca occidental del Mediterrani. El valor màxim de la fugacitat del CO2 succeeix a l'estiu amb 430 µatm, i el valor mínim s'observa a finals d'hivern durant el bloom de fitoplancton provocat per l'aflorament de nutrients durant la formació d'aigua fonda. El gradient de fugacitat en aquest període arriba a les -73 µatm que contrasten amb les +0.5 µatm que es mesuren a la mateixa regió uns dies abans, durant la formació d'aigua fonda. Hem identificat la temperatura i la combinació de variables físiques i biològiques (ecohidrodinàmica) com a principals causants de la variabilitat del CO2 a la regió, i hem estudiat l'evolució de l'efecte biològic en el cicle estacional.

A finals d'hivern, la fugacitat i el gradient de CO2 amb l'atmosfera presenta molta heterogeneïtat a nivell de submesoescala durant la formació d'aigua fonda i el consegüent bloom fitoplanctònic. S'han utilitzat les tècniques tradicionals d'ecologia com l'anàlisi de components principals i un mètode de clustering innovador per a identificar les estructures oceanogràfiques i biològiques que es formen a la regió durant aquest període a partir de la temperatura, la densitat, la salinitat, gradient salí horitzontal, la concentració de clorofil·la-a obtinguda per satèl·lit i la topografia dinàmica obtinguda, també, per satèl·lit.

La relació entre les estructures estudiades ha permès establir la causa de la variabilitat de submesoescala del CO2. A la zona de convecció profunda, el gradient de CO2 amb l'atmosfera està pràcticament equilibrat, mentre que al marge de l'estructura, la incipient producció biològica produeix un flux CO2 de -3.4 mmol·m-2·day-1. Les aigües a la perifèria de la convecció profunda capta encara mes carboni (-5.0 mmol·m-2·day-1) a causa de l'estabilització major de la columna (que permet una lleugera acumulació de fitoplancton) i a la intensitat del vent (que augment la velocitat d'intercanvi entre l'atmosfera i l'oceà). Quan s'estratifica la columna d'aigua, dues noves estructures (diferenciades per la quantitat de clorofil·la-a) resulten de la barreja de les aigües de les tres estructures de la fase prèvia. L'estructura amb més fitoplancton produeix un gradient de CO2 mes negatiu (-54 µatm), però el flux resultant es similar a ambdues estructures (-1.6 mmol·m-2·day-1) a causa de la disminució de la intensitat del vent. En l'estudi de les estructures, també es va observar que les aigües de la plataforma continental, amb poca concentració de clorofil·la-a, produïen un gradient (-74 µatm) i un flux (-9.4 mmol·m-2·day-1) molt negatius.

Els patrons de variabilitat del CO2 lligats a estructures oceanogràfiques també s'observen en altres zones de formació d'aigua fonda del planeta, l'Atlàntic Nord i l'Antàrtic. L'ús de variables de satèl·lit en el nostre estudi pot permetre una major predicció en la captura i alliberament de CO2 d'aquestes regions durant la formació d'aigua fonda.

This study is part of the work of the scientific community to know and have predictive power on the carbon cycle. This thesis focuses on the exchange of carbon dioxide (CO2) between the atmosphere and ocean in the Mediterranean. The Mediterranean is a marginal sea in the temperate zone, whose contribution to global CO2 fluxes has probably been underestimated, together with the contribution of other marginal seas in temperate zones.

From the data of four oceanographic campaigns (FAMOSO project and HOTMIX project), the CO2 exchange database in the Mediterranean expands and variation factors are studied at different scales.

Contextualization of our data with data from other Mediterranean campaigns from 1999 to the present has allowed estimating the annual rate of increase of the CO2 fugacity in the eastern (2.3 µatm) and western (1.3 µatm) basins.

The CO2 fugacity variability in the Mediterranean shows a longitudinal gradient interrupted by the effect of several factors acting at a sub-basin level. The massive analysis of data collected continuously by the vessel sensors allows elucidate the physical-chemical factors (temperature, salinity and water density) are the ones that covary most with the CO2 fugacity, although there are differences between sub-basins. Other variables such as the photosynthetic activity (measured as fluorescence), air temperature, humidity, wind speed or bathymetry affect CO2 distribution in a very different proportion depending on the sub-basin.

Gulf of Lions is one of the sub-basins of the Mediterranean with more complexity due to the deep water formation that occurs in late winter. We have studied the seasonal cycle by combining data from the ship with satellite data. The seasonal cycle does not differ much from other areas previously studied in the western Mediterranean basin. The maximum value of the CO2 fugacity occurs in summer with 430 µatm, and the minimum value is observed in late winter during the phytoplankton bloom caused by the upwelling of nutrients during the formation of deep water. The gradient of the fugacity in this period reaches to -73 µatm contrasting with +0.5 µatm measured in the same region a few days before, during the deep water formation. We have identified the temperature and the combination of physical and biological variables (ecohydrodynamics) as the main cause of the CO2 variability in the region and we have studied the evolution of the biological effect in the seasonal cycle.

In the late winter, fugacity and CO2 gradient with the atmosphere presents much heterogeneity in a submesoscale level during deep water formation and the resulting phytoplankton bloom. We have used traditional techniques in ecology such as principal component analysis and a novel clustering method to identify oceanographic and biological structures formed in the region during this period from temperature, density, salinity, saline horizontal gradient, chlorophyll-a concentration obtained by satellite and dynamic topography obtained, also, by satellite.

The relationship between the studied structures has established the cause of the submesoscale CO2 variability. In the deep convection area, CO2 gradient with the atmosphere is practically balanced, while the margin of the structure, an incipient biological production produces a CO2 flux of -3.4 mmol·m-2·day-1. The periphery waters of the deep convection capture more carbon (-5.0 mmol·m-2·day-1) due to the further stabilization of the column (allowing a slight accumulation of phytoplankton) and intensity of wind (which increases the rate of exchange between atmosphere and ocean). When the water column stratifies, two new structures (differentiated by the amount of chlorophyll-a) result from the mixing of the waters of the three structures of the previous phase. The structure with more phytoplankton produces a more negative CO2 gradient (-54 µatm), but the resulting flux is similar to both structures (-1.6 mmol·m-2·day-1) due to the decrease in intensity of wind. In the study of structures, was also observed that the waters of the continental shelf, wit low chlorophyll-a concentration, produce a very negative gradient (-74 µatm) and flux (-9.4 mmol·m-2·day-1).

CO2 variability patterns linked to oceanographic structures are also observed in other deep water formation areas of the planet, the North Atlantic and the Southern. The use of satellite variables in our study may allow a greater predictability in the capture and release of CO2 in these regions during deep water formation.