Meridional changes in water mass distributions off NW Africa during November 2007/2008

MV Pastor¹*, J Peña-Izquierdo¹, JL Pelegrí¹, Á Marrero-Díaz²

¹ Institut de Ciéncies del Mar, CSIC, Passeig Maritim de la Barceloneta 37-49, 08003 Barcelona, Spain.* Corresponding author. Email: mpastor@icm.csic.es

² Universidad de Las Palmas de Gran Canaria, Campus Universitario de Tafira, 35017 Las Palmas de Gran Canaria, Canary Islands, Spain.

RESUMEN

Se aplicó un análisis multiparamétrico óptimo a un set de datos en el margen oriental del giro subtropical del Atlántico Norte, recogido en noviembre de dos años consecutivos y que se extiende entre las latitudes 16 y 36° N. El set de datos cubre unos 20° de latitud y tiene una buena resolución latitudinal y zonal en toda la región de transición costera. La contribución de seis tipos de agua es resuelta en el intervalo de densidad entre 100 y 2000 m. Entre los 100 y 700 m de profundidad, las aguas centrales del Atlántico Norte y Sur se encuentran abruptamente en el frente de Cabo Verde. Tradicionalmente se ha descrito que la posición de este frente se alarga desde cabo Blanco, a unos 21.5° N, hasta las islas de Cabo Verde, pero nuestras observaciones muestran que penetra hasta 24° N cerca del talud continental. Al sur de 21° N se encuentra una variedad de Agua Central Sudatlántica menos salina y más oxigenada, que adscribimos a aguas ecuatoriales menos diluidas. Entre los 700 y los 1500 m de profundidad el tipo de agua dominante es un tipo diluido de Agua Antártica Intermedia (AAIW), cuya influencia desaparece suavemente al norte de las islas Canarias al ser reemplazada por Agua Mediterránea (MW); en las latitudes donde ambas masas de agua coexisten se aprecia que el MW se sitúa aguas afuera mientras que el AAIW se coloca cercana al talud. El Agua Profunda Noratlántica domina por debajo de los 1300/1700 m al sur/norte de las islas Canarias; este cambio abrupto en profundidad sugiere la existencia de caminos diferentes para las aguas profundas que llegan a cada lado del archipiélago.

Palabras clave: análisis multiparamétrico óptimo, Atlántico Subtropical Noreste, aguas centrales, aguas intermedias, aguas profundas.

ABSTRACT

An optimum multiparameter analysis was applied to a data set for the eastern boundary of the North Atlantic subtropical gyre, gathered during November of two consecutive years and spanning from 16 to 36° N. This data set covers over 20° of latitude with good meridional and zonal resolution over the whole coastal transition zone. The contribution from six water types in the depth range between 100 and 2000 m is solved. In the 100 to 700 m depth range the central waters of southern and northern origin meet abruptly at the Cape Verde Frontal Zone. This front traditionally has been reported to stretch from Cape Blanc, at about 21.5° N, to the Cape Verde Islands, but in our case it penetrates as far as 24° N over the continental slope. South of 21° N latitude we actually find a less saline and more oxygenated variety of South Atlantic Central Water, which we ascribe to less diluted equatorial waters. In the 700 to 1500 m depth range the dominant water type is a diluted form of Antarctic Intermediate Water (AAIW), whose influence smoothly disappears north of the Canary Islands as it is replaced by Mediterranean Water (MW); at latitudes where both water masses coexist, we observe MW offshore while AAIW is found near-shore. North Atlantic Deep Water is the dominating water type below about 1300/1700 m depth south/north of the Canary Islands; this abrupt change in depth suggests the existence of different paths for the deep waters reaching both sides of the archipelago.

INTRODUCCIÓN

Las masas de agua del Atlántico Norte oriental han sido estudiadas por más de 30 años, desde los trabajos pioneros de Fernando Fraga y colaboradores iniciados en 1974 (Fraga 1974, Manriquez y Fraga 1982, Fraga et al. 1985, Rios et al. 1992), dando como resultado una gran mejora en la descripción de su distribución y caracteristicas. La distribución espacial de las distintas masas de agua responde a los patrones de circulación del Atlántico Nororiental (recuadro interior en la fig. 1). Los principales patrones de distribución cambian sustancialmente desde las capas de la termoclina superior, llamadas aguas centrales, hasta las capas intermedias o de la termoclina inferior y hasta las aguas profundas.

Las aguas centrales del norte y del sur predominan en las capas de la termoclina superior al norte y al sur de la Zona Frontal de Cabo Verde (CVFZ, por sus siglas en inglés) (Tomczak 1981, Harvey 1982, Harvey y Arhan 1988, Zenk etal. 1991, Arhan et al. 1994, Castro et al. 1998, Poole y Tomczak 1999, Hernández-Guerra et al. 2001, Pérez et al. 2001, Machín et al. 2006, Pastor et al. 2008). El dominio del Agua Central Noratlántica (NACW) está caracterizado por la presencia de una corriente de frontera este que fluye hacia el sur, la corriente de Canarias. Esta corriente se intensifica en la región costera de afloramiento (corriente Canaria de Afloramiento), donde fluye por encima de una contracorriente subsuperficial paralela al talud (corriente subsuperficial hacia el Polo) (Barton y Hughes 1982, Pelegrí et al. 2005). Cuando la corriente de frontera alcanza cabo Blanco, se desvía hacia el oeste como corriente Norecuatorial (Mittelstaedt 1991). El Agua Central Sudatlántica (SACW) predomina al sur de la CVFZ en la termoclina superior. En esta zona se encuentra el domo de Guinea, que presenta una circulación ciclónica a gran escala en una región con bombeo de Ekman intensificado (Klein et al. 1995), donde la contracorriente Norecuatorial fluye hacia el este hasta alcanzar la costa y se desvía hacia el norte para unirse con la corriente Norecuatorial en dirección oeste (Mittelstaedt 1991).

Las capas intermedias están caracterizadas por el encuentro a gran escala del Agua Antártica Intermedia (AAIW) y el Agua Mediterránea (MW), centradas a 800 y 1200 m al norte de las islas Canarias, respectivamente. Este encuentro presenta una periodicidad estacional; el AAIW alcanza la posición más al norte hacia finales de otoño y el MW se extiende hacia el sur durante el invierno (Arhan et al. 1994, Pérez etal. 2001, Machín y Pelegrí 2009, Machín et al. 2010). A profundidades mayores se encuentran aguas con origen en el Atlántico Norte, agrupadas bajo la denominación de Agua Noratlántica Profunda (NADW) (Dickson y Brown 1994).

Generalmente, los datos con los que se han llevado a cabo los estudios anteriores provienen de campañas regionales o globales. Los datos de campañas tienen la ventaja de proporcionar una descripción de las masas de agua en un dominio espacial o temporal específico; sin embargo, normalmente presentan limitaciones importantes en cuanto a cobertura y resolución espacial. Las campañas globales cubren grandes áreas, pero tienen una baja resolución espacial, y las campañas regionales presentan una buena resolución, pero sobre una región oceánica muy limitada. En otros casos, los datos analizados han sido extraídos de conjuntos climatológicos, con una resolución espacial generalmente baja (1° de latitud x 1° de longitud), y que son resultado de una interpolación espacial óptima de datos pertenecientes a distintas campañas. Este procedimiento resuelve algunas limitaciones de resolución frente a la cobertura espacial, pero presenta dificultades asociadas a las fuentes de datos diversas. Por ejemplo, algunos datos climatológicos pueden mostrar artefactos causados por el método de interpolación, como resultado de falta de datos en alguna región determinada o tras combinar datos procedentes de distintos años o estaciones climatológicas en regiones que presentan una gran variabilidad temporal. Éste podría ser el caso de la cuenca Canaria y la CVFZ, con gran variabilidad estacional en superficie y a niveles intermedios (Pelegrí et al. 2005, Pastor et al. 2008, Machín y Pelegrí 2009, Machín et al. 2010).

En este trabajo se han combinado dos campañas oceano-gráficas con unos 2000 km de cobertura latitudinal y 300 km de cobertura longitudinal, extendiéndose desde la plataforma hacia el océano profundo en el margen oriental del giro subtropical del Atlántico Norte. Ambas campañas se llevaron acabo durante noviembre de dos años consecutivos: 2007 y 2008. Por lo tanto, se examinan las condiciones durante el otoño, y cabe esperar que las variaciones estacionales e interanuales sean mínimas. Ambas campañas se llevaron a cabo con una resolución media en la dirección latitudinal (a lo largo del talud) de unos 50 km, y una elevada resolución perpendicular a la costa (entre 5 y 50 km), suficiente para detectar los cambios latitudinales relativamente suaves y los cambios zonales mucho más abruptos. La campaña de 2007 (de ahora en adelante CANOA07) cubrió la región entre las latitudes 27 y 37° N, aproximadamente, mientras que durante la campaña de 2008 (de ahora en adelante CANOA08) se tomaron muestras entre los 16 y los 35° N. Así, las dos campañas son complementarias pero con suficiente coincidencia espacial entre los 27 y los 35° N como para identificar posibles diferencias interanuales significativas.

El objetivo de este trabajo fue caracterizar la distribución de las masas de agua en el margen oriental del giro subtropical del Atlántico Norte durante el otoño. Hay dos razones principales por las cuales los datos obtenidos en las campañas CANOA07 y CANOA08 son apropiados para esta caracterización: los datos incorporan un número de variables suficientes (temperatura, salinidad, fosfatos, silicatos y oxígeno disuelto) para aplicar un método multiparamétrico, y tienen una extensa cobertura espacial de alta resolución en un intervalo de tiempo limitado. Específicamente, las campañas tienen una mayor resolución en tres áreas clave: la zona próxima al talud continental, la zona al norte de las islas Canarias y la CVFZ. Primero, la región cercana al talud se muestreó con una alta resolución para detectar tanto la corriente de Afloramiento de Canarias como la corriente sub-superficial hacia el Polo, las cuales son caminos potenciales para el transporte latitudinal de aguas de origen norte y sur, respectivamente (Pelegrí et al. 2005, 2006). Segundo, el conjunto de datos tiene una cobertura excelente al norte de las islas Canarias, donde el MW se encuentra con el AAIW en niveles intermedios, con intrusiones latitudinales muy apreciables a lo largo de distintas rutas preferentes de propagación latitudinal (Machín y Pelegrí 2009, Machín et al. 2010). Finalmente, los datos también tienen un buen alcance en la región cercana al talud en la CVFZ, donde las NACW y las SACW entran en contacto, con intrusiones laterales (interleaving) y verticales (Zenk et al. 1991, Pérez-Rodríguez et al. 2001, Pastor et al. 2008).

La siguiente sección introduce los datos disponibles, las estaciones y transectos latitudinales y zonales de referencia. En las secciones subsiguientes se muestra la distribución de las propiedades en estas estaciones y estos transectos, se presenta el método multiparamétrico óptimo y se explica cómo se determinaron los valores de referencia para las distintas masas de agua, y se ilustran y discuten los cambios espaciales en la composición de las masas de agua. Finalmente, la última sección cierra con una discusión de las características más relevantes y las conclusiones.

CONJUNTO DE DATOS

El conjunto de datos utilizado en este trabajo fue recogido durante dos campañas que forman parte del proyecto Corriente de Afloramiento del Noroeste Africano (CANOA). En ambas campañas se tomaron datos de conductividad-temperatura-profundidad (CTD) desde la superficie hasta los 2000 m o hasta el fondo si éste era más somero, con medidas de temperatura, conductividad, presión y oxígeno disuelto casi continuas. Los datos originales, generalmente varios datos por cada metro, fueron promediados a un dato por cada metro. La sonda estaba compuesta por un instrumento Seabird 9Plus, con un sensor de temperatura SBE 3Plus, un sensor de conductividad SBE 4Plus y un sensor de oxígeno disuelto SBE 43.

La campaña CANOA07 tuvo lugar entre el 29 de octubre y el 20 de noviembre de 2007 en el B/O García del Cid. Un total de 117 estaciones CTD fueron muestreadas entre el estrecho de Gibraltar y las islas Canarias (fig. 1). La campaña CANOA08 tuvo lugar entre el 3 y el 29 de noviembre de 2008 en el B/O Sarmiento de Gamboa. La campaña cubrió el área entre el estrecho de Gibraltar y las islas Cabo Verde (fig. 1), con un total de 94 estaciones CTD.

Se recogieron muestras de agua a profundidades estándar en 74 estaciones de CANOA07 y en todas las estaciones de CANOA08. En ambas campañas, las muestras se congelaron a -20 °C y fueron analizadas posteriormente con un autoanalizador de flujo continuo Bran+Luebbe, siguiendo el método modificado y descrito por Hansen y Koroleff (1999), con el fin de obtener las concentraciones de fosfatos y silicatos. El oxígeno disuelto se determinó con un titulador automático, basado en la valoración potenciométrica de punto final (Outdot et al. 1988), y posteriormente se usó para calibrar los valores de oxígeno obtenidos con el sensor CTD. Las diferencias promedio entre la titulación y las medidas del CTD fueron 0.44 mL L^-1 para CANOA07 y 0.63 mL L^-1 para CANOA08.

DISTRIBUCIÓN ESPACIAL DE PROPIEDADES

Se presentan las distribuciones espaciales de distintas propiedades a lo largo de los transectos y estaciones que se indican en la figura 1. Los transectos seleccionados fueron la sección norte, perteneciente a la campaña CANOA07, y las secciones frente, sur y latitudinal de la campaña CANOA08 (figs. 2, 3). Adicionalmente, se presenta la distribución vertical de varias propiedades en las estaciones E5, E41, E54 y E70, pertenecientes todas a CANOA08 (fig. 4).

La capa superficial comprende desde la superficie del mar hasta el nivel de anomalía de densidad potencial (isopicna) σ_θ = 26.46, o aproximadamente los primeros 100 m de la columna de agua, y muestra características de temperatura y salinidad (θ-S) muy variables como resultado del afloramiento costero y también por la presencia de variabilidad mesoscalar en la zona de transición costera. Las características mesoscalares son resultado de las inestabilidades de la corriente en chorro asociada al afloramiento (e.g., Pelegrí et al. 2005, Pastor et al. 2008) así como también de la interacción de la corriente de Canarias con las islas del archipiélago canario (Sangrà et al. 2005, 2007, 2009, Machín y Pelegrí 2009). En general, la capa superficial presenta valores altos de salinidad y de oxígeno disuelto y bajo contenido en nutrientes (figs. 2, 3). Una característica particular del giro subtropical del Atlántico Norte es el máximo de salinidad subsuperficial entre los 50 y los 100 m (fig. 4). Este máximo corresponde a aguas formadas en la superficie, en áreas donde la evaporación excede a la precipitación, que se hunden debido al transporte de Ekman y a la convección invernal. Durante la primavera y el verano esta anomalía de salinidad deja de estar en contacto con la superficie y se extiende horizontalmente sobre grandes distancias (Bauer y Siedler 1988).

Por debajo de esta capa y hasta unos 600 m de profundidad (26.46 < σ_θ< 27.14, según Tomczak 1981) se encuentran las dos masas de agua centrales, NACW y SACW. El encuentro entre aguas del norte y del sur ocurre en la CVFZ, situada en el Atlántico Norte debido a que la Zona de Convergencia Intertropical (o el ecuador térmico de la Tierra) está localizada en el hemisferio norte durante todo el año. El sistema frontal de Cabo Verde está caracterizado por una transición abrupta en temperatura, salinidad, nutrientes y oxígeno disueltos. Las características del NACW y del SACW son considerablemente distintas debido a su diferente lugar de origen. Las primeras son aguas relativamente jóvenes (y por tanto bien oxigenadas y pobres en nutrientes) formadas en el límite norte de la cuenca noratlántica subtropical, con salinidad y temperatura relativamente elevadas, que incluyen las aguas templadas al este de la corriente del Atlántico Norte. Las SACW, por su parte, son mucho mas antiguas: su lugar de formación es remoto (la convergencia subtropical del Atlántico Sur), y alcanzan el margen oriental del Atlántico Norte tras seguir un camino complejo a través del sistema de corrientes ecuatoriales (Stramma y Schott 1999).

Una característica local notable del SACW son los valores relativamente bajos de oxígeno disuelto, los cuales responden a la elevada producción primaria en la superficie (tras el afloramiento en la franja costera y en el domo de Guinea) combinada con los largos tiempos de recirculación alrededor del domo de Guinea que propicia una elevada remineralización. Esta característica se puede observar claramente en los perfiles verticales de las estaciones en la CVFZ (E41) y al sur de la misma (E54 y E70), donde se encuentra un mínimo de oxígeno entre los 100 y los 500 m de profundidad. A estas profundidades la concentración de nutrientes es elevada, aunque su máximo se encuentra en las aguas intermedias. Una característica interesante aparece en la estación E54, localizada sobre el talud en la sección sur. Esta estación muestra concentraciones relativamente altas de oxígeno disuelto hasta los 400 m, y es considerablemente menos salina que el SACW de alrededor, lo cual es indicativo de una variedad menos diluida procedente del sur. Se retomará esta cuestión en las secciones siguientes.

Por debajo del estrato central se encuentran las aguas intermedias, de nuevo con origen en el sur (AAIW, 27.14 < σ_θ< 27.75) y en el norte (MW, 27.14 < σ_θ< 27.85) (Machín y Pelegrí 2009, Machín et al. 2010). En general, las estaciones cercanas al estrecho de Gibraltar muestran un pronunciado máximo de salinidad entre los 1000 y los 1500 m, asociado a la presencia de MW (fig. 2a, d). Los valores altos de salinidad y valores bajos de nutrientes observados en la sección norte, a unos 200 km de la costa (figs. 2d, 3d), indican un camino preferencial para el MW, o también que esta agua se ve desplazada costa afuera por el AAIW. La transición en este estrato parece ser más progresiva que en las aguas centrales, aunque en ocasiones en el extremo norte de la región de estudio se encuentran lentes aisladas de MW con elevada salinidad. Una de estas lentes fue encontrada en una estación situada al suroeste de la sección norte (no se muestra) durante la campaña CANOA07. El máximo de salinidad a 1200 m (S = 36.5) en la estación E5 es una clara señal de MW en las estaciones del norte (fig. 4), aunque este valor queda lejos de los valores de salinidad del MW a su salida por el estrecho de Gibraltar, S = 38.5 (Ambar y Howe 1979).

Hacia el sur, el máximo de salinidad en la capa intermedia se va erosionando y las características del AAIW pasan a ser dominantes. Éstas son relativamente frías y poco salinas, y son ricas en nutrientes y pobres en oxígeno comparadas con el MW. Estas características son de nuevo el reflejo de unos tiempos de residencia altos así como de la influencia del MW, cálida y salina. El AAIW parece fluir hacia el norte cerca del talud, alcanzando al menos las islas Canarias (Machín y Pelegrí 2009, Machín et al. 2010); en este estudio se encontraron de hecho características de AAIW diluidas hasta los 34° N. Las concentraciones bajas de oxígeno y altas en nutrientes en las estaciones más al sur son el resultado del largo camino que recorren estas aguas hasta alcanzar el margen oriental del giro subtropical del Atlántico Norte. Sin embargo, destaca que el mínimo en oxígeno se presentó en las aguas centrales (de 200 a 400 m), mientras que el máximo en nutrientes se encontró a mayor profundidad (entre los 800 y los 1200 m). Esto ocurre debido a la elevada concentración de oxígeno en la zona de formación del AAIW. Así, a pesar del largo recorrido y de la remineralización que en ellas tiene lugar, estas aguas retienen una concentración relativamente alta de oxígeno.

A mayor profundidad se encuentra el NADW en todas las latitudes de la región de estudio (σ_θ< 27.75), con cambios latitudinales mucho menores que en las capas intermedias y centrales. No obstante, las figuras 2a y 3a sugieren que las islas Canarias podrían actuar como barrera en la propagación de estas aguas, ya que se observan cambios considerables de salinidad, nutrientes y oxígeno a estas profundidades.

AGUAS TIPO Y ANÁLISIS MULTIPARAMÉTRICO ÓPTIMO

El análisis multiparamétrico óptimo (OMP) es una herramienta que permite analizar la mezcla de diversas masas de agua en una muestra. El método consiste en calcular la contribución de las masas de agua originales, llamadas masas de agua fuente o aguas tipo, en la muestra de agua. Las contribuciones de las aguas tipo en cada dato o muestra se obtienen encontrando la mejor combinación de mezcla lineal en un espacio multiparamétrico (por ejemplo, temperatura, salinidad, oxígeno y nutrientes inorgánicos) que da como resultado los valores observados. El resultado se alcanza minimizando los residuos entre predicciones y observaciones, en un ajuste por mínimos cuadrados no negativo (Mackas et al. 1987, Tomczak y Large 1989, Llanillo et al. 2012). La solución incluye dos restricciones: la suma de todas las contribuciones debe ser igual a uno (conservación de masa) y todas las contribuciones deben ser positivas.

En este trabajo se utilizaron la temperatura (θ), la salinidad (S), los fosfatos (PO₄), los silicatos (SiO₄) y el oxígeno (O₂) para resolver el siguiente sistema lineal de ecuaciones de mezcla:

Antes de resolver el sistema, la matriz de aguas tipo es normalizada para que las diferentes variable sean proporcionales, y se aplican distintos pesos a cada variable. Los pesos (W_j) han sido calculados según Tomczak y Large (1989),

donde σ_j es la desviación estándar de la matriz de aguas tipo para la variable j, una medida de la habilidad de la variable j para resolver el contenido en cada masa de agua; y δ_jmax es una medida de la variabilidad medioambiental de la variable j, estimada como la varianza máxima entre todas las aguas tipo de la variable j. Los pesos son normalizados a la temperatura, que es el parámetro con mayor peso; es decir, a la temperatura se le asigna el peso de uno y valores menores que uno a las demás variables. A la ecuación 6 se le asigna un peso de 10 con el objetivo de enfatizar la conservación de masa.

Una parte esencial del OMP es la definición de la matriz de aguas tipo. Aquí se han definido las aguas tipo según las características que tienen cerca de la región de estudio, en lugar de usar los valores en la región de formación. Los valores utilizados se muestran en la tabla 1. Se han utilizado los límites de densidad 26.46 <σ_θ< 27.82 para el análisis. Los datos por encima del límite superior (unos 100 m en promedio, y siempre menos de 150 m) han sido excluidos ya que sus propiedades físicas y bioquímicas podrían estar alteradas por procesos atmosféricos y biogeoquímicos. Se garantiza así que los nutrientes inorgánicos no son alterados debido a la producción primaria, aunque no podemos asegurar que las propiedades en la subsuperficie no estén afectadas por la remineralización de materia orgánica (e.g. Llanillo et al. 2012). Sin embargo, al usar aguas tipo definidas localmente, se espera que los efectos de remineralización sean mínimos. Tras realizar el análisis OMP, el supuesto del OMP clásico de que los fosfatos, los silicatos y el oxígeno son independientes y conservativos deberá ser comprobado.

Seis masas de agua fuente se distinguen en el área de estudio. La parte superior de la columna de agua hasta σ_θ= 27.14 está dominada por aguas centrales de origen norte (NACW) y sur (SACW). Se han utilizado las características θ-S que Tomczak (1981) definió con datos hidrográficos de la región entre 20 y 26° N. Debido a su proceso de formación, la relación θ-S de las masas de agua centrales viene definida por un línea recta (Mamayev 1975). Por lo tanto, se requieren dos aguas tipo para caracterizar cada masa de agua central en el intervalo σ_θ que va de 26.46 a 27.14, una para el límite superior (U) y otra para el inferior (L) (NACW_U, NACW_L, SACW_U, SACW_L).

Se ha detectado un agua tipo adicional de origen sur en las estaciones más sureñas de la región de estudio a lo largo del talud, por encima de los 200 m, con un mínimo relativo de temperatura y salinidad, y un máximo de oxígeno. Esta variedad, que hemos denominado SACW*, ha sido identificada previamente como una variedad regional de SACW de origen tropical (Fraga 1974, Voituriez y Chuchla 1978, Manriquez y Fraga 1982). Las características θ-S del SACW* han sido definidas usando las estaciones que presentan el mínimo de salinidad en la capa de las aguas centrales.

A profundidades intermedias se encontraron dos masas de agua: MW y AAIW. Los valores θ-S para el MW se calcularon a partir de la climatología WOCE (por sus siglas en inglés: World Ocean Circulation Experiment; Gouretski y Koltermann 2004), tomando los valores de temperatura y salinidad correspondientes al máximo de salinidad en la zona delimitada por las latitudes 12 y 49° N y desde la costa hasta 1500 km mar adentro. Para el AAIW, se utilizó un agua tipo modificada definida por Fraga et al. (1985) a unos 20° N, una variedad que también fue utilizada por Pérez et al. (2001) para estudiar masas de agua en esta región. Finalmente, en las capas profundas de la columna de agua se encontró NADW. Para definir esta masa de agua, se elegió el punto θ-S correspondiente al límite superior definido por Castro et al. (1998), basado en el límite inferior de influencia del MW (Harvey 1982).

Una vez asignadas las características θ-S, hemos determinado los nutrientes y el oxígeno disuelto de las masas de agua tipo utilizando las estaciones de nuestro conjunto de datos que concuerdan con la definición θ-S de cada masa de agua. Dos excepciones son el MW, para la cual se utilizó la misma climatología WOCE, y el NADW, para la cual se utilizaron también los valores determinados por Castro et al. (1998).

Así, se identificaron ocho aguas tipo en la región de estudio: NACW_U, NACW_L, SACW_U, SACW_L, SACW*, MW, AAIW, y NADW. Sin embargo, con las variables disponibles, el análisis OMP sólo puede resolver seis aguas tipo en la mezcla. Por este motivo, el conjunto de datos se dividió en tres grupos según la latitud y la densidad, de manera que en cada momento sólo seis aguas tipo contribuyen a la mezcla observada (tabla 2). El primer grupo incluye datos por encima de σ_θ= 27.32 y al norte de 21° N, el segundo grupo los datos por encima de σ_θ= 27.32 y al sur de 21° N, y el tercer grupo incluye todos los datos por debajo de σ_θ= 27.32. Los diagramas propiedad-propiedad de la figura 5 muestran los tres grupos en los que han sido divididos los datos, así como las masas de agua tipo utilizadas en el análisis OMP.

DISTRIBUCIÓN DE LAS MASAS DE AGUA

Las figuras 6, 7 y 8 muestran el resultado del OMP a través de cuatro secciones, cuatro estaciones, y varios niveles horizontales. El SACW total es la suma de SACW_U, SACW_L y SACW*. Del mismo modo, el NACW es la suma de NACW_U y NACW_L. El panel en la figura 5a muestra la contribución de las distintas masas de agua en función de la latitud y la profundidad. Se utilizaron todos los datos disponibles, con lo que esta figura representa un promedio zonal de los cambios latitudinales.

Las aguas centrales dominan en los primeros 650 m de la columna de agua. El frente entre el SACW y el NACW, definido donde cada masa de agua central contribuye aproximadamente al 50%, se desplaza desde los 24° N en los primeros 250 m hasta más allá de los 25° N en las capas centrales más profundas (figs. 6a, 8). Se pueden observar intrusiones laterales entre las dos masas de agua centrales en la sección Front fig. 6b) y South fig. 6c), donde la contribución del SACW desciende por debajo de 0.8 en los primeros 250 m de la columna de agua. Otra evidencia de intrusiones laterales se observa en la estación 41 (fig. 7), donde concurren una disminución en SACW con un aumento de NACW a unos 200 m de profundidad. La contribución del SACW* también ha sido graficada por separado. Esta masa de agua esta centrada a 200 m de profundidad y su influencia (valores de hasta 20%) alcanza los 19° N (fig. 6a). La contribución del SACW* es máxima en las estaciones situadas más al sur sobre el talud continental.

Entre el estrecho de Gibraltar y los 32° N, se encontraron porcentajes de MW superiores al 60% en una capa centrada a 1200 m de profundidad. En algunas estaciones individuales, como E5 (fig. 4), la temperatura y salinidad fueron considerablemente mayores y la contribución de MW alcanzó valores de 1 (figs. 7, 8), lo que indica la presencia de MW menos diluida. El AAIW ocupó aproximadamente el mismo intervalo de profundidades que el MW; sin embargo, en la región de encuentro de ambas masas de agua, el AAIW se situó por encima del MW (fig. 6a). Los máximos porcentajes de AAIW se observaron a 900 m en las estaciones más al sur (e.g., fig. 8 y estaciones 54 y 41 en la fig. 7), lo cual es indicativo de su origen.

En cuanto al NADW, se encontraron contribuciones por encima del 60% a profundidades superiores a los 1500 m en las estaciones localizadas en la mitad sureña de la región de estudio. Al norte de 28° N, donde se sitúan las islas Canarias, este tipo de agua contribuye con porcentajes igual o por encima del 60% sólo por debajo de los 1750 m; por encima de este nivel, el MW contribuye significativamente a la mezcla. Estos cambios latitudinales sugieren que el NADW alcanza el sur vía la cuenca occidental, mientras que su camino hacia la región más oriental está influenciado por la presencia de las islas Canarias y el MW.

La figura 9 muestra un diagrama θ-S con todos los datos disponibles. La escala de color es función de la latitud y las líneas de contorno marcan la contribución del 50% de las distintas masas de agua. La latitud muestra claramente la transición abrupta en las capas centrales en comparación con los cambios mucho más suaves en las capas intermedias. Las líneas de contorno también indican cuáles puntos están dominados por una única masa de agua, lo cual sucede en todas partes excepto en las capas intermedias, donde se aprecia la influencia tanto de aguas centrales como de profundas. Sin embargo, es posible que la presencia de contribuciones significativas de aguas centrales y profundas en estas capas intermedias sea un artefacto del método de análisis, ya que éste no toma en cuenta el carácter anisótropo de la mezcla. El análisis OMP sencillamente mide distancias en un espacio de múltiples propiedades, sin tener en cuenta si la distancia es a lo largo de o a través de superficies isopicnas. En realidad, la difusión epipicna es muy superior a la difusión diapicna, con lo que cabe esperar que el método pueda sobreestimar localmente contribuciones de tipos de agua verticalmente adyacentes.

Con el fin de determinar si los nutrientes inorgánicos y el oxígeno disuelto se comportan como conservativos, se recalcularon la salinidad, la temperatura, la concentración de oxígeno disuelto y los nutrientes inorgánicos observados con las ecuaciones de mezcla descritas anteriormente. Los resultados se compararon con las observaciones originales. Los altos coeficientes de determinación (r²) y pequeños errores estándar (σ) de la relación lineal entre las observaciones y los datos recalculados (tabla 3) indican que los parámetros pueden ser considerados como conservativos.

Finalmente, es conveniente una breve consideración sobre si el conjunto de datos combinado (dos años consecutivos) puede estar afectado por la existencia de variabilidad interanual. Por una parte, los datos correspondientes a la región donde se realizó un muestreo en ambas campañas no mostraron diferencias significativas cuando se representaron en los diversos diagramas propiedad-propiedad. Además, los residuos entre las observaciones y los valores recalculados no cambiaron apreciablemente para los datos pertenecientes a distintos años. Finalmente, en las secciones perpendiculares a la costa en 31.5 y 32.5° N, que fueron muestreadas ambos años, la única diferencia significativa fue una mayor presencia de MW en el talud durante 2007.

DISCUSIÓN Y CONCLUSIONES

Se utilizó un conjunto con datos de dos campañas oceano-gráficas, llevadas a cabo en noviembre de dos años consecutivos, con el fin de investigar los cambios latitudinales y zonales de las masas de agua en la región costera del noroeste Africano. Los objetivos principales del estudio fueron, primero, caracterizar las distintas aguas tipo presentes en la región y, segundo, realizar un análisis OMP para determinar la distribución espacial de la contribución de cada masa de agua.

Se encontró que la capa de agua superficial hasta los 650 m está dominada por aguas centrales de origen norte (NACW) y sur (SACW). La transición entre ambas masas de agua ocurre, de forma abrupta, en la CVFZ. A lo largo del talud, la composición cambia de un 80% de SACW al 80% de NACW en tan sólo tres grados de latitud. A pesar de la presencia elevada de intrusiones en el frente, con SACW por encima de NACW, se observó que el frente se encuentra inclinado hacia el norte en profundidad, lo que indica una propagación hacia el sur del NACW en las capas superiores de la columna de agua.

Se identificaron y caracterizaron dos variedades de agua central del sur: SACW y SACW*. La variedad SACW* es menos salina y más oxigenada que la variedad clásica, SACW, lo que sugiere que el SACW* está menos diluida. En el análisis se utilizó la variedad SACW para definir las aguas al sur del frente (Tomczak 1981, Klein y Tomczak 1994). De este modo, el frente muestra un cambio abrupto en la composición de masas de agua al pasar de aguas del norte a aguas del sur.

La variedad SACW* parece ser advectada hacia el norte por la rama este de la circulación ciclónica alrededor del domo de Guinea, siendo responsable de la renovación de aguas en la zona de sombra del domo, tal como sugieren Stramma et al. (2005, 2008). Esta corriente hacia el Polo viene modulada por la posición de la Zona de Convergencia Intertropical: se intensifica y se extiende hasta 21° N durante el verano y se debilita y alcanza sólo hasta 17° N durante el invierno (Peterson y Stramma 1991, Siedler et al. 1992, Lazaro et al. 2005). Si esta variedad hubiera sido elegida para definir el agua central del sur en la zona (e.g., Manríquez y Fraga 1982), el frente hubiera mostrado una transición menos abrupta entre aguas del norte y del sur.

Este trabajo ha mostrado también la complejidad de la zona de transición costera, particularmente sobre el talud. El afloramiento costero ocupaba una banda desde el norte hasta los 16° N, pero la distribución de masas de agua no mostró una penetración hacia el sur de NACW asociada a la corriente en chorro del afloramiento. No obstante, se apreciaron evidencias aisladas de NACW a lo largo de las secciones frente y sur posiblemente como resultado de la separación de anillos o remolinos en la CVFZ (Pastor et al. 2008). La CVFZ fue localizada a lo largo de una línea imaginaria entre cabo Blanco y las islas Cabo Verde, alargándose hasta 24° N a lo largo del talud continental. Esta extensión latitudinal es seguramente el resultado de la penetración de aguas del sur con la corriente subsuperficial hacia el Polo; es incluso posible que esta corriente subsuperficial acomode la transferencia de SACW* más allá de la CVFZ.

Entre los 600 m y los 1500 m se encontraron de nuevo aguas de origen norte (MW) y sur (AAIW). La transición entre MW y AAIW es mucho menos abrupta que en las capas centrales, y ocurre al norte de las islas Canarias. El MW está centrada en los 1200 m, ligeramente más profunda que el AAIW, centrada sobre los 900 m. La penetración latitudinal hacia el norte del AAIW se debe al momento en que se realizaron las campañas: Machín y Pelegrí (2009) y Machín et al. (2010) indicaron una señal fuertemente estacional en el flujo hacia el norte del AAIW, la cual sobrepasa el archipiélago canario y tiene una extensión máxima hacia el norte durante el otoño. Al norte de las islas Canarias se observó un remolino de MW (durante la campaña CANOA07), que presenta características de MW poco diluida.

AGRADECIMIENTOS

Este trabajo ha sido apoyado por el Ministerio de Ciencia e Innovación de España, a través de los proyectos CANOA (CTM2005-00444/MAR) y MOC² (CTM2008-06438-C02-01). MVP fue financiada con una beca JAE-Predoc del Consejo Superior de Investigaciones Científicas y JPI con una beca FPI del Ministerio de Ciencia e Innovación de España. Nos gustaría agradecer el apoyo de los miembros de la tripulación y los técnicos del B/O García del Cid y B/O Sarmiento de Gamboa, especialmente a los Capitanes E Otal y D Domínguez, y los técnicos JA Pozo, J Salvador y M Lloret. También se agradece a FF Pérez los comentarios tan útiles sobre el análisis OMP, y a E Vázquez por los análisis de oxígeno disuelto. Agradecemos las sugerencias de los dos revisores anónimos, así como al editor invitado, MG Coto, por su revisión cuidadosa del manuscrito.

REFERENCIAS

Ambar I, Howe MR. 1979. Observations of the Mediterranean outflow. I. Mixing in the Mediterranean outflow. Deep-Sea Res. 26A: 535-554.         [ Links ]

Arhan M, Colin de Verdiére A, Mémery L. 1994. The eastern boundary of the subtropical North Atlantic. J. Phys. Oceanogr. 24: 1295-1316.         [ Links ]

Barton E, Hughes P. 1982. Variability of water mass interleaving off NW Africa. J. Mar. Res. 40: 963-984.         [ Links ]

Bauer E, Siedler G. 1988. The relative contributions of advection and diapycnal mixing below the sub-tropical salinity maximum. Deep-Sea Res. 35A: 811-837.         [ Links ]

Castro CG, Pérez FF, Holley S, Ríos AF. 1998. Chemical characterisation and modelling of water masses in the Northeast Atlantic. Prog. Oceanogr. 41: 249-279.         [ Links ]

Dickson R, Brown J. 1994. The production of North Atlantic Deep Water: Sources, rates, and pathways. J. Geophys. Res. 99: 12319-12341.         [ Links ]

Fraga F. 1974. Distribution des masses d'eau dans l'upwelling de Mauritanie. Thetys 6: 5-10.         [ Links ]

Fraga F, Barton ED, Llinás O. 1985. The concentration of nutrient salts in "pure" North and South Atlantic Central Waters. International Symposium on the Most Important Upwelling Areas of Western Africa, Inst. Inv. Pesq., Barcelona, 1: 25-36.         [ Links ]

Gouretski VV, Koltermann KP. 2004. WOCE Global Hydrographic Climatology. Berichte des Bundesamtes für Seeschifffahrt und Hydrographie Nr. 35/2004, 50 pp.         [ Links ]

Hansen HP, Koroleff F. 1999. Determination of nutrients. In: Grasshoff K, Kremling K, Ehrhardt M (eds.), Methods of Seawater Analysis. Wiley-VCH, 600 pp.         [ Links ]

Harvey J. 1982. θ-S relationships and water masses in the eastern North Atlantic. Deep-Sea Res. 29: 1021-1033.         [ Links ]

Harvey J, Arhan M. 1988.The water masses of the Central North Atlantic in 1983-1984. J. Phys. Oceanogr. 12: 1856-1875.         [ Links ]

Hernández-Guerra A, López-Laatzen F, Machín F, Armas D de, Pelegrí JL. 2001. Water masses, circulation and transport in the Eastern Boundary Current of the North Atlantic Subtropical Gyre. Sci. Mar. 65: 177-186.         [ Links ]

Klein B, Tomczak M. 1994. Identification of diapycnal mixing through optimum multiparameter analysis. 2. Evidence for unidirectional diapycnal mixing in the front between North and South Atlantic Central Water. J. Geophys. Res. 99: 25275-25280.         [ Links ]

Klein B, Molinari RL, Müller TJ, Siedler G. 1995. A transatlantic section at 14.5N: Meridional volume and heat fluxes. J. Mar. Res. 53: 929- 957.         [ Links ]

Lazaro C, Fernandes MJ, Santos AMP, Oliverira P. 2005. Seasonal and interannual variability of surface circulation in the Cape Verde region from 8 years of merged T/P and ERS-2 altimeter data. Remote Sens. Environ. 98: 45-62.         [ Links ]

Llanillo PJ, Pelegrí JL, Duarte CM, Emelianov M, Gasser M, Gourrion J, Rodríguez-Santana A. 2012. Meridional and zonal changes in water properties along the continental slope off central and northern Chile. Cienc. Mar. 38: 307-332.         [ Links ]

Machín FJ, Pelegrí JL. 2009. Northward penetration of Antarctic Intermediate Water off northwest Africa. J. Phys. Oceanogr. 39: 512-535.         [ Links ]

Machín FJ, Hernández-Guerra A, Pelegrí JL. 2006. Mass fluxes in the Canary Basin. Prog. Oceanogr. 70: 416-447.         [ Links ]

Machín FJ, Pelegrí JL, Fraile-Nuez E, Vélez-Belchi P, López-Laatzen F, Hernández-Guerra A. 2010. Seasonal flow reversals of Intermediate Waters in the Canary Current System east of the Canary Islands. J. Phys. Oceanogr., http://journals.ametsoc.org/ doi/pdf/ 10.1175/2010JPO4320.1.         [ Links ]

Mackas DL, Denman KL, Bennett AF. 1987. Least-square multiple tracer analysis of water mass composition. J. Geophys. Res. 92: 2907-2918.         [ Links ]

Mamayev OI. 1975. Temperature-Salinity Analysis of World Ocean Waters. Elsevier Scientific Publishing Company, Amsterdam, 374 pp.         [ Links ]

Manríquez M, Fraga F. 1982. The distribution of water masses in the upwelling region off northwest Africa in November. Rapp. P.V. Reun. Cons. Int. Explor. Mer 180 : 39-47.         [ Links ]

Mittelstaedt M. 1991. The ocean boundary along the northwest african coast: Circulation and oceanographic properties at the sea surface. Prog. Oceanogr. 26: 307-355.         [ Links ]

Outdot C, Gerard R, Morin P, Gningue I. 1988. Precise shipboard determination of dissolved oxygen (Winkler procedure) for productivity studies with a commercial system. Limnol. Oceanogr. 33: 146-150.         [ Links ]

Pastor MV, Pelegrí JL, Hernández-Guerra A, Font J, Salat J, Emelianov M. 2008. Water and nutrient fluxes off Northwest Africa. Cont. Shelf Res. 7: 915-936.         [ Links ]

Pelegrí JL, Arístegui J, Cana L, González-Dávila M, Hernández-Guerra A, Hernández-León S, Marrero-Díaz A, Montero MF, Sangrà P, Santana-Casiano M. 2005. Coupling between the open ocean and the coastal upwelling region off northwest Africa: Water recirculation and offshore pumping of organic matter. J. Mar. Syst. 54: 3-37.         [ Links ]

Pelegrí J, Marrero-Díaz A, Ratsimandresy A. 2006. Nutrient irrigation of the North Atlantic. Prog. Oceanogr. 70: 366-406.         [ Links ]

Pérez FF, Mintrop L, Llinás O, González-Dávila M, Castro CG, Alvarez M, Kortzinger A, Santana-Casiano M, Rueda M, Ríos A. 2001. Mixing analysis of nutrients, oxygen and inorganic carbon in the Canary Islands region. J. Mar. Syst. 28: 183-201.         [ Links ]

Pérez-Rodríguez P, Pelegrí JL, Marrero-Díaz A. 2001. Dynamical characteristics of the Cape Verde frontal zone. Sci. Mar. 65(S1): 241-250.         [ Links ]

Peterson RG, Stramma L. 1991. Upper-level circulation in the South Atlantic Ocean. Prog. Oceanogr. 26: 1-73.         [ Links ]

Poole R, Tomczak M. 1999. Optimum multiparameter analysis of the water mass structure in the Atlantic Ocean thermocline. Deep-Sea Res. I 46: 1895-1921.         [ Links ]

Ríos AF, Pérez FF, Fraga F. 1992.Water masses in the upper and middle North Atlantic Ocean east of the Azores. Deep-Sea Res. I 39: 645-658.         [ Links ]

Sangrà P, Pelegrí JL, Hernández-Guerra A, Arregui I, Martin J, Marrero-Díaz A, Martinez A, Ratsimandresy A, Rodriguez-Santana A. 2005. Life history of an anticyclonic eddy. J. Geophys. Res. 110(C3), C03021, doi:10.1029/2004JC002526.         [ Links ]

Sangrà P, Auladell M, Marrero-Diaz A, Pelegrí JL, Fraile-Nuez E, Rodríguez-Santana A, Martin JM, Mason E, Hernández-Guerra A. 2007. On the nature of oceanic eddies shed by the Island of Gran Canaria. Deep-Sea Res. 54: 687-709.         [ Links ]

Sangrà P, Pascual A, Rodríguez-Santana A, Machín F, Mason E, McWilliams JC, Pelegrí JL, Dong C, Rubio A, Arístegui J, Marrero-Díaz A, Hernández-Guerra A, Martínez-Marrero A, Auladell M. 2009. The Canary Eddy Corridor: A major pathway for long-lived eddies in the subtropical North Atlantic. Deep-Sea Res. 56(12): 2100-2114.         [ Links ]

Siedler G, Zangenberg N, Onken R., Morliére A. 1992. Seasonal changes in the tropical Atlantic circulation: Observation and simulation of the Guinea Dome. J. Geophys. Res. 97: 703-715.         [ Links ]

Stramma L, Schott F. 1999. The mean flow field of the tropical Atlantic Ocean. Deep-Sea Res. 46: 279-303.         [ Links ]

Stramma L, Huttl S, Schafstall J. 2005. Water masses and currents in the upper tropical northeast Atlantic off northwest Africa. J. Geophys. Res. 110(C12), C12006, doi:10.1029/2005JC002939.         [ Links ]

Stramma L, Brandt P, Schafstall J, Schott F, Fischer J, Koertzinger A. 2008. Oxygen minimum zone in the North Atlantic south and east of the Cape Verde Islands. J. Geophys. Res. 113(C4), C04014, doi:10.1029/2007JC004369.         [ Links ]

Tomczak M. 1981. An analysis of mixing in the frontal zone of South and North Atlantic Central Water off Northwest Africa. Prog. Oceanogr. 10: 173-192.         [ Links ]

Tomczak M, Large DGB. 1989. Optimum multiparameter analysis of mixing in the thermocline of the eastern Indian Ocean. J. Geophys. Res. 94: 16141-16149.         [ Links ]

Voituriez B, Chuchla R. 1978. Influence of southern Atlantic central water on distribution of salinity and oxygen in northeast tropical Atlantic Ocean. Deep-Sea Res. 25: 107-117.         [ Links ]

Zenk W, Klein B, Schroder M. 1991. Cape Verde frontal zone. Deep-Sea Res. 38: S505-S530.         [ Links ]

NOTA

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