Artículos

 

Patrones superficiales de la clorofila a y procesos de mezcla en la cuenca de Yucatán, mar Caribe

 

Chlorophyll-a patterns and mixing processes in the Yucatan Basin, Caribbean Sea

 

Iván Pérez-Santos^1,2,*, Wolfgang Schneider¹, Arnoldo Valle-Levinson³, José Garcés-Vargas⁴, Inia Soto^5,6, Raúl Montoya-Sánchez², Nelson Melo González⁷, Frank Müller-Karger⁵

 

¹ Departamento de Oceanografía, Universidad de Concepción, Campus Concepción, Víctor Lamas 1290, Casilla 160-C, CP 4070043, Concepción, Chile.

² Centro de Investigación Oceanográfica en el Pacifico Sur-Oriental (COPAS Sur Austral), Universidad de Concepción, Campus Concepción, Víctor Lamas 1290, Casilla 160-C, CP 4070043, Concepción, Chile.

³ Department of Civil and Coastal Engineering, University of Florida, Gainesville, FL 32611, USA.

⁴ Instituto de Ciencias Marinas y Limnológicas, Facultad de Ciencias, Universidad Austral de Chile, Edificio Pugín, Campus Isla Teja, Chile.

⁵ Institute for Marine Remote Sensing, College of Marine Science, University of South Florida, St. Petersburg, FL 33701, USA.

⁶ Laboratório de Estudos dos Oceano e Clima, Universidade Federal do Rio Grande, Rio Grande, Rio Grande do Sul, CEP 96.201-900, Brasil.

⁷ Physical Oceanography Division, NOAA/Atlantic Oceanographic and Meteorological Laboratory -Rosenstiel School of Marine and Atmospheric Science/Cooperative Institute for Marine and Atmospheric Studies of the University of Miami, 4301 Rickenbacker Causeway Miami, FL 33149-1026, USA.

 

* Corresponding author.
E-mail: ivanperez@udec.cl

 

Received June 2013
Accepted December 2013.

 

RESUMEN

Las imágenes diarias del sensor MODIS a bordo del satélite Aqua permitieron identificar los patrones superficiales de la clorofila a antes, durante y después del paso de eventos meteorológicos de escala sinóptica por la cuenca de Yucatán, mar Caribe. Los datos de viento superficial del satélite QuikSCAT se utilizaron para cuantificar la influencia del transporte vertical advectivo y la difusividad vertical en la mezcla de la capa superficial del mar. Los datos del modelo tridimensional MERCATOR permitieron el cálculo de la difusividad vertical de remolino y el número de Richardson, evidenciando la importancia de la cizalladura vertical durante las épocas de otoño e invierno (2007-2009). Durante el paso de eventos sinópticos moderados (e.g., frentes fríos, ondas tropicales del este y sistemas de baja presión con vientos de 9 a 15 m s^–1 sostenidos durante dos días), la mezcla causada por la difusividad vertical (10 × 10^–3 m² s^–1) fue al menos un orden de magnitud mayor que el transporte vertical advectivo (0.3 × 10^–3 m² s^–1). Sin embargo, durante el paso de los huracanes Iván (septiembre de 2004) y Wilma (octubre de 2005), el transporte vertical advectivo (5–7 m² s^–1) dominó la mezcla de la columna de agua y fue cuatro órdenes de magnitud mayor al registrado durante la influencia de los eventos moderados. Bajo la influencia de estos eventos meteorológicos, se observaron tres patrones en la clorofila a: en el primero se encontraron concentraciones de clorofila a en el rango de 0.05 a 0.12 mg m^–3 después del paso de eventos meteorológicos moderados, en el segundo se hallaron máximos de clorofila a (0.5–2.0 mg m^–3) después del paso de los huracanes Iván y Wilma, y en el tercero se observó la presencia de concentraciones altas de clorofila a (0.3–1.5 mg m^–3) en forma de filamentos debido a las descargas de aguas dulces desde la isla de Cuba. Los cambios en los patrones superficiales de clorofila después del paso de eventos meteorológicos evidenciaron los patrones típicos de conectividad entre las diferentes áreas de la cuenca de Yucatán.

Palabras clave: clorofila a satelital, mezcla por viento, advección vertical, corrientes superficiales, cuenca de Yucatán.

 

ABSTRACT

Daily images collected with the MODIS sensor on the NASA Aqua satellite were used to describe chlorophyll-a (chl-a) concentrations before, during, and after synoptic-scale meteorological pulses in the Yucatan Basin, Caribbean Sea. The relative influence of vertical diffusive and vertical advective transport on mixing of the near surface layer was quantified with wind data from the QuikSCAT satellite. Computation of vertical density eddy diffusivity and gradient Richardson numbers was done with data from the three-dimensional MERCATOR model. The model evidenced the importance of vertical shear (i.e., vertical diffusive processes) in generating mixing during autumn and winter (2007-2009). During moderate meteorological pulses (e.g., cold fronts, easterly tropical waves, and low-pressure systems with wind speeds of 9–15 m s^–1 sustained over 2 days), mixing caused by diffusive transport (eddy viscosity of 10 × 10^–3 m² s^–1) was at least one order of magnitude higher than upward advective mixing (0.3 × 10^–3 m² s^–1). During the passage of hurricanes Ivan (September 2004) and Wilma (October 2005), upward advective mixing (5–7 m² s^–1) dominated mixing of the upper water column and was nearly four orders of magnitude higher than during moderate meteorological events. Background chl-a concentrations of 0.03–0.08 mg m^–3 were observed during the July-October period. During synoptic weather pulses, three different patterns in the chl-a concentrations were observed: first, chl-a concentrations in the range of 0.05 to 0.12 mg m^–3 followed moderate meteorological pulses; second, higher regional chl-a concentrations (0.5–2.0 mg m^–3) followed the passage of hurricanes; and third, the formation of filaments showing apparent high chl-a (0.3–1.5 mg m^–3) south of Cuba, possibly caused by freshwater discharge from land. The changes in chlorophyll patterns following meteorological events illustrate typical patterns of connectivity among different parts of the Yucatan Basin.

Key words: satellite chlorophyll-a, wind mixing, vertical transport, surface currents, Yucatan Basin.

 

INTRODUCCIÓN

Las concentraciones de clorofila a, estimadas con base en la razón de las radiancias emergentes del agua obtenidas por medio de sensores remotos que miden el color del océano, han sido usadas para estudiar la variabilidad temporal y espacial de sistemas de surgencia altamente productivos (e.g., Peláez y McGowan 1986, McClain 2009), así como el funcionamiento de sistemas oligotróficos (e.g., Babin et al. 2004). Las máximas concentraciones de clorofila a en los sistemas de surgencia suceden cuando la disponibilidad de nutrientes y la radiación solar sobre el fitoplancton son óptimas y el pastoreo es mínimo. En regiones oligotróficas, se obtienen altos niveles de clorofila a cuando se rompe la estratificación termal de las aguas superficiales bien iluminadas e incrementa la mezcla debido al viento, con la consecuente disponibilidad de nutrientes de la capa subsuperficial (Müller-Karger et al. 1991, González et al. 2000).

Mediante el análisis de datos obtenidos con el sensor Coastal Zone Color Scanner (CZCS), Müller-Karger et al. (1991) obtuvieron, por primera vez, una serie de tiempo multianual de la concentración media superficial de clorofila a para las aguas oligotróficas del golfo de México y el mar Caribe noroccidental, observándose mayores concentraciones de clorofila a entre diciembre y febrero (>0.18 mg m^–3) y menores concentraciones en mayo y junio (~0.06 mg m^–3). El hundimiento de la capa de mezcla jugó un papel importante en la estacionalidad de la clorofia a. González et al. (2000) examinaron los patrones de las concentraciones de fitoplancton en el mar Caribe, el golfo de México y el mar de los Sargazos, y descubrieron que las mayores concentraciones de clorofila a se asociaban con una mayor mezcla vertical después del paso de frentes fríos.

Al suroeste de Cuba y en la cuenca de Yucatán, los frentes fríos del noroeste son frecuentes de octubre a abril. En promedio, de 11 a 35 frentes fríos afectan el área cada año, con una media histórica de 19.8 ± 4.9 para el invierno (González 1999). Además, se presentan ondas tropicales del este en el Atlántico Norte tropical entre junio y noviembre, los cuales pueden generar huracanes en la región.

Distintos estudios han caracterizado la distribución de clorofila a a escala estacional en el mar Caribe occidental. En particular, la cuenca de Yucatán se ve afectada por fenómenos climáticos todo el año, incluyendo forzamientos meteorológicos moderados (e.g., frentes fríos, ondas tropicales del este, sistemas de baja presión) y extremos (huracanes) (Pérez-Santos et al. 2010). En el presente trabajo se describe la distribución de clorofila a en la cuenca de Yucatán a escala sinóptica y se evalúa su respuesta al régimen de circulación y vientos.

 

MATERIALES Y MÉTODOS

Área de estudio

El área de estudio comprende la región entre 18° y 23° N y entre 80° y 89° W (fig. 1). La región incluye las cuencas de Yucatán y Caimán, la plataforma continental al norte de la península de Yucatán y la parte norte del Sistema Arrecifal Mesoamericano (costa sudoriental de México y Belice).

La cuenca de Yucatán se localiza en la zona conocida como la alberca caliente del Atlántico (Wang y Lee 2007), que se fortalece durante el verano boreal y a principios de otoño. La temperatura superficial del mar puede exceder los 28.5 °C y tener un fuerte impacto en la convección atmósferica tropical (Wang y Enfield 2001). El esfuerzo del viento superficial muestra un máximo en noviembre cuando se debilita la alberca caliente del Atlántico y un segundo máximo en julio relacionado con la intensificación del chorro de bajo nivel del Caribe (Pérez-Santos et al. 2010).

 

Datos satelitales de viento superficial

Para calcular el esfuerzo del viento y su rotacional, se usaron datos de viento superficial proporcionados por el dispersómetro SeaWinds a bordo del satélite QuikSCAT (NASA). Se obtuvieron vectores diarios del viento en la superficie del mar con una resolución espacial de 0.5° × 0.5° de IFREMER (Institut Français de Recherche pour l'Exploitation de la Mer). El análisis de los datos de viento satelitales cubrió el periodo del 21 de noviembre de 1999 al 21 de noviembre de 2009.

La División de Investigación de Huracanes del Laboratorio Oceanográfico y Meteorológico del Atlántico (HRDAOML/NOAA, por sus siglas en inglés) mantiene una base de datos de alta resolución de la velocidad de viento superficial (H-Wind Project) para ciertas tormentas (http://www.aoml.noaa.gov/hrd). Se usó esta base de datos específicamente para analizar el paso de los huracanes Iván (13 de septiembre de 2004, 0130 UTC) y Wilma (20 de octubre de 2005, 1330 UTC) por la cuenca de Yucatán y porque los dispersómetros de QuikSCAT subestiman la magnitud del viento durante eventos extremos (Donelan et al. 2004). Esta base de datos integra todas las observaciones disponibles cada 6 h con una resolución espacial de 6 x 6 km.

 

Datos del modelo de asimilación MERCATOR

Para entender los procesos de mezcla en el oceáno, se usaron los datos del modelo tridimensional de asimilación MERCATOR PSY2V3R1 ATL12, disponible en http://www.mercator-ocean.fr. Desde 2007, los resultados diarios del modelo MERCATOR se distribuyen con una resolución espacial de 1/12° (~9 × 9 km) y 43 niveles verticales. La producción del modelo, consistente en datos de temperatura y salinidad del agua y corrientes oceánicas tridimensionales, se obtuvo de 2007 a 2009 en 36 niveles verticales para un dominio cubriendo el mar Caribe noroccidental entre 18°-21.5° N y 80°–88° W. Los patrones de circulación obtenidos con el modelo MERCATOR (suplemento 1) coinciden con los patrones generales generados por diferentes modelos para esta región (e.g., Johns et al. 2002, Centurioni y Niiler 2003, Romanou et al. 2004, Jouanno et al. 2008).

 

Cuantificación de los procesos de mezcla

Para cuantificar la influencia del transporte vertical advectivo y la difusividad vertical en la mezcla de la capa superficial del mar, se calcularon el transporte vertical advectivo (W_ad) y la viscosidad vertical de remolino (A_z). Para estimar W_ad (W_ad= W_ED_E), se determinó el producto de la velocidad de bombeo de Ekman (W_E) y la profundidad de la capa de Ekman (D_E). Los valores positivos de W_ad indican surgencia y los valores negativos, hundimiento; en la figura resultante los valores negativos fueron excluidos y sólo se muestran los resultados de W_ad favorables a la surgencia.

Se calculó W_E a partir del rotacional del esfuerzo del viento según Smith (1968):

donde es el rotacional del esfuerzo del viento y ρ es la densidad del agua; ƒ = 2Ωsin(φ) es el parámetro de Coriolis (φ es la latitud). El rotacional del esfuerzo del viento se obtuvo a partir de diferencias finitas centradas de primer orden. Se realizó una extrapolación tipo "cokriging" (Marcotte 1991) para incrementar la resolución de los datos del rotacional del esfuerzo del viento cerca de la costa.

El esfuerzo del viento (τ) se calculó mediante la parametrización cuadrática (τ_x = ρ_aireC_dU_10x|U_10s| y τ_y = ρ_aireC_dU_10y|U_10s para los componentes zonal (este-oeste) y meridional (norte-sur), respectivamente, donde U_10x y U_10y son las componentes del viento a 10 m de altura y U_10s es la magnitud del viento a 10 m de altura). El coeficiente de arrastre (C_d) se calculó siguiendo a Yelland y Taylor (1996), excepto durante los huracanes Iván y Wilma, cuando el esfuerzo del viento se calculó con un coeficiente de arrastre constante de 2.8 × 10^–3 (Donelan et al. 2004).

Se calculó D_E (metros), a latitudes (φ) +/–10° del ecuador, como sigue (Pond y Pickard 1983):

Luego, se estimó A_zsegún Stewart (2008):

Los valores para W_ad, A_z y D_E fueron obtenidos para cada punto de las redes de los productos de H-Wind y QuikSCAT. Se generó una serie de tiempo de valores promedios para cada producto para toda la zona de estudio. También se eligieron las series de tiempo de dos puntos específicos (fig. 1, círculos abiertos) para ilustrar los cambios cerca de Cuba (21.7° N, 83.7° W) y de la península de Yucatán en el mar Caribe, al sur de la isla de Cozumel (19.7° N, 87.2° W). Se pretendió analizar las contribuciones relativas de W_ad y el transporte difusivo de A_z en la profundidad de la capa de Ekman como fuentes de nutrientes de la subsuperficie a la superficie; W_ad representó la influencia del rotacional del esfuerzo del viento y el bombeo, y A_z indicó los efectos de fricción causados por el viento en la superficie.

La viscosidad de remolino representa la difusividad de momento asociada con el esfuerzo del viento. Para también considerar la difusividad de masa, se obtuvo la difusividad vertical de remolino (K_v) de los perfiles de temperatura, salinidad y velocidad de los resultados tridimensionales del modelo MERCATOR.

Se calculó K_v mediante la parametrización propuesta por Rodríguez-Santana et al. (1999), la cual incorpora dos regímenes: (a) valores bajos del número de Richardson (Ri), K_v = 1.1 × 10^–8 Ri^–9.2, Ri ≤ 0.33, y (b) valores altos de Ri, K_v =2.6 × 10 ³ (1 + 10Ri)^–3/2, Ri > 0.33. Se definió Ri como sigue:

donde N es la frecuencia de flotabilidad, representando la estabilidad de la columna de agua, y S² es la cizalladura vertical. Esta última se calculó usando diferencias centrales en la vertical:

donde u y v son los componentes zonal y meridional de la corriente obtenidos del modelo MERCATOR. Los valores de K_v, Ri, N² y S² fueron calculados en tres sitios distintos (fig. 1, puntos rojos): la cuenca de Yucatán (20.1° N, 84° W), al suroeste de Cuba (21.5° N, 83.8° W) y al sureste de la península de Yucatán (19.6° N, 87.2° W).

 

Datos satelitales de clorofila a

Las imágenes de clorofila superficial fueron provistas por el sensor Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) a bordo del satélite Aqua. Este sensor proporciona datos diarios de la concentración de clorofila a en la superficie del mar con una resolución espacial de aproximadamente 1km² por pixel al nadir sobre áreas del océano libres de nubes. Las concentraciones de clorofila a para la cuenca de Yucatán (18°–22°N, 80°–86.5°W) fueron obtenidas con el paquete SeaDAS 6.1.

Para confirmar que los patrones de clorofila a estuvieran efectivamente relacionados con afloramientos fitoplanctónicos, también se analizaron los datos de la altura de la línea de fluorescencia (FLH, por sus siglas en inglés) de MODIS–Aqua. Estos datos fueron procesados de forma similar a los de clorofila a siguiendo a Letelier y Abbott (1996). Para el propósito de este estudio, no se consideraron zonas someras o cerca de la costa para el análisis de FLH o clorofila a (e.g., golfo de Batabanó, fig. 1).

Para analizar la respuesta del océano a fenómenos meteorológicos de escala sinóptica, se analizaron imágenes diarias de la concentración de clorofila a y FLH antes, durante y después de los huracanes Iván (2–24 de septiembre de 2004) y Wilma (15–25 de octubre de 2005). También se analizaron otros eventos meteorológicos de escala sinóptica en 2004 y 2005, tales como frentes fríos, sistemas de baja presión y ondas tropicales. Para este estudio, se seleccionaron una o dos imágenes relativamente libres de nubes que mejor representaban la distribución de clorofila a asociada con cada evento.

 

Topografía dinámica obtenida por altimetría

Se usaron los datos del altímetro Salto/Duacs proporcionados por CNES (Centre National d'Études Spatiales, Francia; http://www.aviso.oceanobs.com/). Esta base de datos tiene una resolución temporal de 7 días y una resolución espacial de 1/3°. Los componentes zonal y meridional de las corrientes geostróficas absolutas fueron obtenidas del producto MADT (Map of Absolute Dynamic Topography) distribuido por CNES.

 

RESULTADOS

Quantificación de los procesos de mezcla

Las tres series de tiempo de la viscosidad vertical de remolino (A_z) mostraron un ciclo anual similar con valores máximos (10–15 × 10^–3 m² s^–1) en noviembre y diciembre (fig. 2a–c). A partir de enero, la A_z decreció hasta alcanzar su valor mínimo (~3 × 10^–3 m² s^–1) a principios de septiembre, observándose un segundo máximo relativo secundario en junio (10–12 × 10^–3 m² s^–1). En general, las velocidades de transporte vertical (W_ad) fueron dos órdenes de magnitud menores que los valores de A_z y siempre fueron favorables para la surgencia (valores positivos). No fue posible observar un ciclo anual para W_ad en los promedios para toda la región (fig. 2d–f). Se observaron varios máximos aislados, por lo menos un orden de magnitud mayor que el promedio regional, en la climatología al sur de Cuba en mayo/junio y octubre/noviembre, coincidiendo con la temporada de huracanes en la región. La profundidad de la capa de Ekman (DE) osciló entre 40 y 60 m todo el año, con el mínimo (máximo) durante el verano (invierno). La DE mínima también se registró en septiembre (fig. 2g–i).

Los valores máximos de la difusividad vertical de remolino (K_v) fueron registrados cerca de la profundidad de la capa de mezcla en la región conformada por los tres sitios diferentes, con magnitudes de K_v =10^–5–10^–3 m² s^–1 (fig. 3a–c). La serie de tiempo de K_v para el este de Yucatán difirió de la serie para el sur de Cuba y la parte central de la cuenca de Yucatán, mostrando gran variabilidad por debajo de la profundidad de la capa de mezcla, de ~50 a 250 m de profundidad. Su mediana estacional fue un orden de magnitud mayor, registrándose el valor más elevado de K_v (0.27 m² s^–1) a mediados de año (tabla 1). Como se esperaba, el número de Richardson (Ri) mostró una relación inversa a K_v (fig. 3d–f). En primavera y verano se observaron valores bajos de Ri, lo cual indica condiciones favorables para la mezcla vertical; sin embargo, una fuerte estratificación resultó en una frecuencia de flotabilidad alta (N², 2–4 x 10^–4 s^–2) y mezcla reducida (fig. 3g–i). La cizalladura vertical (S²) fue alta en los primeros 50 m (10^–5–10^–4 s^–2) de la columna de agua, con una segunda zona máxima entre 70 y 200 m (fig. 3j–l). Los valores máximos de S² se registraron en la superficie en primavera y verano, y a mayores profundidades en otoño e invierno.

 

Análisis del transporte advectivo vertical (W_ad), la viscosidad vertical de remolino (A_z) y la profundidad de la capa de Ekman (D_E) durante fenómenos meteorológicos de escala sinóptica

Frente frío

Durante la influencia de un frente frío (7 de noviembre de 2004), los vientos soplaron del norte con una velocidad media de 8.7 m s^–1 y el esfuerzo del viento se incrementó hacia el sur con valores máximos de 0.28 Pa en la parte sur de la cuenca de Yucatán (fig. 4a), que resultó en una A_z relativamente alta (23.1 × 10^–3 m² s^–1, fig. 4b). Los gradientes zonal y meridional del esfuerzo del viento indicaron un rotacional positivo de W_ad (1.3 × 10 ³m²s^–1) para la mayor parte de la cuenca de Yucatán (fig. 4a), correspondiendo a picos extremos como se observó en la serie de tiempo promedio anual (fig. 2).

 

Onda tropical del este

Del 3 al 5 de julio de 2005, durante el paso de una onda tropical del este por la cuenca de Yucatán, soplaron vientos fuertes del sureste con una velocidad media de 9.4 m s^–1 (tabla 2). El esfuerzo del viento fue máximo a 0.49 Pa (fig. 4c), con una A_z de aproximadamente 33 × 10^–3 m² s^–1 (fig. 4d). La velocidad vertical advectiva fue hacia arriba en las partes central y este de la cuenca de Yucatán (fig. 4c), con un transporte vertical máximo (4.8 × 10^–3 m² s^–1) mayor que la media anual, pero bajo comparado con A_z. Los valores máximos se registraron en la parte oeste de la cuenca, entre la isla de Cozumel y el banco Chinchorro.

 

Sistema de baja presión

Un sistema de baja presión pasó sobre Pinar del Río (oeste de Cuba) el 5 de octubre de 2005 (fig. 4e). La velocidad media del viento fue moderada en la mayor parte de la región (6.3 m s^–1, tabla 2), registrándose los mayores valores (18.27 m s^–1) al este de la península de Yucatán. Ahí, el esfuerzo del viento presentó un máximo de 0.75 Pa (fig. 4e), lo cual resultó en el valor más alto de A_z (~45 × 10^–3 m² s^–1) en la categoría de eventos meteorológicos moderados (fig. 4f). Las velocidades advectivas verticales fueron fuertemente hacia arriba al sur de 20° N (fig. 4e), con velocidades máximas (7.8 × 10^–3 m² s^–1) en la costa.

 

Huracanes

A lo largo de la trayectoria del huracán Iván (categoría 5, velocidad máxima del viento de 68.5 m s^–1, esfuerzo máximo del viento de 15.7 Pa; tabla 2), los valores de W_ad (fig. 5a) fueron un orden de magnitud mayor (máximo de 8.4 m² s^–1) que los de A_z, revirtiendo así la importancia relativa del transporte advectivo comparado con el observado durante los eventos meteorológicos débiles o moderados. Durante el huracán, A_z aún fue alta, con valores máximos de 0.64 m² s^–1 (fig. 5b); esto es alrededor de tres veces mayor que la media regional anual (fig. 2), y refleja el poder de mezcla de los huracanes.

Durante el huracán Wilma (categoría 4), la mezcla causada por el viento y el bombeo de Ekman fueron similares. W_ad (5.4 m² s^–1) fue un orden de magnitud mayor que A_z (0.45 m² s^–1) cuando Wilma pasó por la cuenca de Yucatán, con velocidades máximas de 57.6 m s^–1 y un esfuerzo máximo del viento de 11.1 Pa (fig. 5c, d; tabla 2). Al igual que el huracán Iván, los valores máximos de W_ad y A_z se registraron en un área de ~100 x 100 km y ~300 x 300 km, respectivamente, alrededor del ojo del huracán (insertos fig. 5a, c).

La D_E alcanzó valores máximos de 103 m durante el frente frío, de 115 m durante la onda tropical del este y de 135 m durante el sistema de baja presión. La D_E más profunda se observó alrededor de los ojos de los huracanes Iván y Wilma, a 505 y 440 m, respectivamente (no se muestra la figura). Ambos valores fueron registrados del lado derecho del ojo de los huracanes. Estos valores fueron sobreestimados porque no se consideró la estabilidad de la columna de agua en los cálculos.

 

Respuesta de la clorofila a

Las imágenes satelitales de la concentración de clorofila a obtenidas durante y después del paso de estos eventos meteorológicos mostraron una fuerte nubosidad. En los días después del paso del frente frío sobre la cuenca de Yucatán, alrededor del 7 de noviembre de 2004 (fig. 4a), las concentraciones de clorofila a aumentaron a niveles de entre 0.08 y 0.12 mg m^–3 (fig. 6a, b). Las concentraciones máximas (~0.38 mg m^–3) se registraron en un filamento de clorofila a de ~50 km de largo que apareció al sur de los cayos de San Felipe (golfo de Batabanó, suroeste de Cuba) (fig. 6a). Se detectó un filamento más largo, de 120 km, al sur de Cabo San Antonio, Cuba (fig. 6a), alrededor de un giro ciclónico pequeño centrado en 21.5° N, 85° W (cuadro blanco en fig. 6b). Se observaron concentraciones altas de clorofila a (0.12–0.35 mg m^–3) en forma de filamentos al suroeste de Cuba (fig. 6c) después del paso de la onda tropical del este el 3 de julio de 2005 (fig. 4b). Se observó otra zona con concentraciones altas de clorofila a (0.20–0.25 mg m^–3) en la parte suroeste de la cuenca de Yucatán. Fue evidente el aumento en las concentraciones de clorofila a (0.07–0.12 mg m^–3, fig. 6d) en toda la cuenca de Yucatán después del paso del sistema de baja presión alrededor del 6 de octubre de 2005 (fig. 4c). Un filamento (~1.4 mg m^–3) de ~300 km de largo y 50 km de ancho se extendió del sur de los cayos de San Felipe (Cuba) a la isla Caimán. Durante este evento, se volvió a observar un filamento más corto en frente de cabo San Antonio (oeste de Cuba).

El 11 de septiembre de 2004, dos días antes del paso del huracán Iván por la cuenca de Yucatán, las concentraciones de clorofila a fueron bajas (~0.03 mg m^–3) (fig. 7a). El 20 de septiembre de 2004, una semana después del paso del huracán Iván por el sur de Cuba, se observaron filamentos y parches en la parte central de la cuenca de Yucatán (fig. 7b). Varios filamentos se extendieron hacia el norte, hasta el golfo de México, desde el golfo de Guanahacabibes (oeste de Cuba), y hacia el este y suroeste de la isla de Pinos (suroeste de Cuba, fig. 7b). Se observaron concentraciones altas el 25 de octubre de 2005 (fig. 7d), cinco días después del paso del huracán Wilma (fig. 5c) por la cuenca de Yucatán. A lo largo de la trayectoria de Wilma, las concentraciones de clorofila a excedieron 1.0 mg m^–3 en la parte oeste de la cuenca y especialmente en la zona de surgencias al norte de la península de Yucatán en el golfo de México. Algunos de estos patrones persistieron siete días después del paso del huracán (fig. 7e). Las regiones con valores altos de clorofila a coincidieron con áreas del océano que muestran enfriamiento de aguas superficiales, lo cual indica la mezcla de agua de la subsuperficie a la superficie en la trayectoria del huracán (suplemento 2, panel inferior).

 

Relación entre la circulación y los filamentos de clorofila a

Para entender las trayectorias de los filamentos de clorofila a observados en la cuenca de Yucatán, se analizaron las corrientes superficiales del mar mediante productos semanales de las corrientes geostróficas derivados de datos proporcionados por altímetros satelitales combinados con imágenes concurrentes de clorofila a (fig. 8). La figura 8a muestra un grupo de remolinos: uno anticiclónico (20.0° N, 86.0° W), uno ciclónico (20.6°N, 84.3°W), y otro anticiclónico (~20.0° N, 82.0° W). Los remolinos pueden transportar agua costera a la parte central de la cuenca de Yucatán, como se observa en varias fechas en la figura 8.

 

DISCUSIÓN

Las imágenes de clorofila a del sensor MODIS evidencian patrones de variabilidad y conectividad asociados con los diferentes tipos de fenómenos meteorológicos de escala sinóptica. Un patrón se relacionó con el paso de eventos moderados (i.e., frente frío, sistema de baja presión y onda tropical del este). Las concentraciones de clorofila a aumentaron en toda la cuenca de Yucatán (0.03-0.12 mg m^–3), con extremos locales de hasta 0.40 mg m^–3 durante periodos de alrededor de una semana. Los eventos extremos (huracanes Iván, septiembre de 2004, y Wilma, octubre de 2005) mostraron un patrón diferente, con concentraciones regionales de clorofila a de hasta 2.0 mg m^–3 en ciertos parches y filamentos que duraron de dos días a una semana. Otro patrón recurrente fue la extensión de filamentos ricos en clorofila a de la costa oeste de Cuba hacia ya sea el sur o norte del golfo de México (figs. 6, 7).

La cuenca de Yucatán ha sido descrita como una región oligotrófica carente de nutrientes en la capa superficial (Okolodkov 2003). Durante los eventos meteorológicos, el aporte de nutrientes de abajo se dio con transporte vertical positivo (W_ad) y viscosidad vertical de remolino (A_z) (figs. 2, 4, 5). La A_z fue alta durante la influencia de los eventos moderados (10 x 10^–3 m² s^–1), con una profundización de la capa de mezcla hasta más de 100 m. También se observó un transporte vertical positivo debido al rotacional del esfuerzo del viento, aunque fue un orden de magnitud menor que la difusividad de remolino inducida por el viento. Durante los eventos meteorológicos extremos, esta condición se invirtió, y el transporte vertical advectivo fue alto (5–7 m² s^–1) cerca del ojo de los huracanes Iván y Wilma (fig. 5), y la difusividad de remolino fue menor. Mediciones realizadas con correntómetros muestran que la mezcla vertical debido a estos eventos extremos puede alcanzar los 1000 m de profundidad (Shay 2001).

Varios filamentos de clorofila a se extendieron de las zonas costeras hacia mar adentro, algunos por más de 50 y 300 km (figs. 6, 7). Las descargas de ríos pueden transportar material terrígeno a cualquier bahía en la periferia de la cuenca de Yucatán. El golfo de Batabanó, por ejemplo, acumuló sedimentos después de que lloviera al norte de los cayos de San Felipe (Blázquez et al. 1988). Los filamentos de clorofila a que se originaron en esta zona fueron dirigidos por el viento y las corrientes oceánicas locales (fig. 8, suplemento 1). Estos patrones contribuyen a la red de conectividad de las larvas de peces en todo el Caribe (Cowen et al. 2006).

Los cálculos de la difusividad vertical de remolino (K_v) con datos de temperatura, salinidad y los perfiles de velocidad zonal y meridional del modelo de asimilación MERCATOR incluyeron la contribución de la cizalladura vertical (S²) a la mezcla de la columna de agua (fig. 3). Se detectó una capa de cizalladura cerca de la profundidad de la capa de mezcla con números de Richardson (Ri) bajos. Se observaron valores de Ri de ~0.25 en la zona influenciada por la corriente de Yucatán (suplemento 1), lo que indica que pueden suceder inestabilidades de cizalladura (Muench et al. 2002). Por otro lado, se observaron valores de Ri de ~1 al sur de Cuba. Aquí, la contracorriente cubana y los remolinos de mesoescala pueden favorecer inestabilidades advectivas (Muench et al. 2002). La combinación de mezcla por vientos superficiales (esfuerzo del viento y bombeo de Ekman) y corrientes (cizalladura) permitió la inyección de nutrientes de la capa subsuperficial, incrementando las concentraciones de clorofila a en la cuenca de Yucatán.

En resumen, el transporte vertical advectivo (bombeo de Ekman) y el transporte difusivo turbulento (viscosidad de remolino), inducidos por el esfuerzo del viento y su rotacional durante eventos meteorológicos moderados y extremos de escala sinóptica, favorecieron el incremento de los niveles de clorofila a en la oligotrófica cuenca de Yucatán. Aunque estos mecanismos actúan en conjunto, el transporte difusivo turbulento fue mayor durante los eventos moderados, mientras que el transporte vertical advectivo dominó durante los eventos extremos. Se registraron valores de Ri bajos del lado oeste de la cuenca de Yucatán debido a la influencia y variabilidad de la corriente de Yucatán, lo que sugiere que inestabilidades de cizalladura vertical en el flujo pueden incrementar la mezcla en la columna de agua. Los datos tridimensionales del modelo de asimilación MERCATOR resultaron ser una herramiento útil para estudiar la variabilidad temporal y espacial de los procesos de mezcla en la cuenca de Yucatán.

La presencia de concentraciones altas de clorofila a en forma de filamentos después del paso de eventos meteorológicos de escala sinóptica, en conjunto con un incremento de la precipitación en la isla de Cuba, mostró la importancia de las fuentes terrestres de nutrientes, incluyendo los fertilizantes inorgánicos, para los afloramientos de fitoplancton en el golfo de Batabanó, Cuba. La dirección y magnitud de las corrientes oceánicas determinó la dispersión y las trayectorias de estos filamentos, contribuyendo a la conectividad en el mar Caribe noroccidental.

 

AGRADECIMIENTOS

Se agradece a la Comisión Nacional de Investigación Científica y Tecnológica (CONICYT, Chile) la beca otorgada a IPS (2006330027-6) para realizar estudios doctorales en la Universidad de Concepción, Chile, y al programa MECESUP su apoyo para una estancia en AOML-NOAA, Miami, Universidad del Sur de Florida y Universidad de Florida. AVL agradece el apoyo de la Fundación Nacional de la Ciencia (NSF) de los Estados Unidos (proyecto OCE-0825876). FMK reconoce el apoyo recibido de la NASA (NNX09AV24G y NNX08AL06G). También se agradece a CONICYT-FONDECYT (proyecto 3120038) y COPAS Sur Austral (proyecto PFB 31/2007), así como a los revisores anónimos.

 

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Nota

Traducido al español por Christine Harris.