Variabilidad climática y la acumulación de carbono orgánico en el sector sur de la Corriente de California durante las etapas isotópicas marinas 1, 2 y 3

Climatic variability and organic carbon accumulation in the southern part of the California Current during marine isotopic stages 1, 2 and 3

Alberto Sánchez¹,*, José D. Carriquiry², B. Estela López–Ortiz¹

¹ Centro Interdisciplinario de Ciencias Marinas, Departamento de Oceanología, Instituto Politécnico Nacional, La Paz, Baja California Sur, México.*E–mail: alsanchezg@ipn.mx; alsanchezg13@gmail.com

Manuscrito recibido: Septiembre 14, 2009.
Manuscrito corregido recibido: Enero 10, 2010.
Manuscrito aceptado: Marzo 12, 2010.

Resumen

La bomba biológica en el océano desempeña un papel muy importante en el ciclo de carbono global. Las tasas de enterramiento de carbono orgánico (C_org) al sur de los 40° de latitud norte en el Pacífico nororiental sugieren una mejor preservación de la productividad exportada durante el último periodo glaciar. La compilación de datos sobre la tasa de acumulación de C_org permitió extender el registro del Pacífico nororiental al sector sur de la Corriente de California, que corresponde al Pacífico mexicano durante las etapas isotópicas marinas 1, 2 y 3 (EIM–1, 2 y 3). Los resultados de la tasa de acumulación del C_org mostraron un incremento en la productividad exportada durante la EIM–2, excepto para el margen de Mazatlán. Estas evidencias sugieren una mejor utilización de los nutrimentos a latitudes medias durante la EIM–2. El aumento en la disponibilidad de nutrientes a la zona fótica, que favoreció la productividad marina y exportada, fue ocasionado por un incremento en las condiciones de surgencia.

Palabras clave: Corriente de California, carbono orgánico, bomba biológica, productividad exportada, etapas isotópicas marinas.

The biological pump of the ocean plays a very important role in the global carbon cycle. The burial rates of organic carbon (C_org) south of latitude 40° N in the eastern North Pacific suggest a better preservation of export productivity during the last glacial cycle. The data compiled for the C_org burial rate allowed us to extend the record of marine isotope stages 1, 2 and 3 (MIS 1,2,3) in the eastern North Pacific to the southern sector of the California Current, which corresponds to the Mexican Pacific. The results of the burial rates of C_org show an increase in the export productivity during the MIS–2, excepting for the Mazatlan margin. This evidence suggests there is better nutrient utilization at mid–latitudes during the MIS–2. The increase of nutrient availability to the photic zone, which favored marine and export productivity, was caused by an increase in upwelling intensity.

Keywords: California current, organic carbon, biological pump, export productivity, marine isotope stages.

1. Introducción

Las condiciones de alta productividad y el balance de las masas de agua del Pacífico Norte y ecuatorial han sido ampliamente utilizadas para explicar las variaciones en la intensidad de la zona de oxígeno mínimo (ZOM, O2 < 20 μM, a 1 μM en el núcleo) en el Pacífico nororiental en escalas de tiempo glaciar–interglaciar. Las primeras evidencias de la fluctuación de la ZOM provienen del índice de bioturbación en Cuenca Santa Bárbara, California (Behl, 1995), donde la secuencia sedimentaria consiste en intercalaciones de sedimentos bioturbados y laminados que permitieron inferir los cambios en el nivel de oxigenación de la columna de agua durante el último periodo glaciar (Behl y Kenneth, 1996).

Los registros sedimentarios colectados a lo largo del Pacífico nororiental (PNO), desde Vancouver hasta el margen de California, han mostrado diferencias en el enterramiento de carbono orgánico (C_org), que sugieren baja productividad primaria y exportada en el último periodo glaciar (Lyle et al., 1992; Sancetta et al., 1992; Dean et al., 1997; Gardner et al., 1997; Ortiz et al., 1997). No obstante, otros estudios del PNO indicaron que este periodo reveló una alta productividad exportada entre California y el margen mexicano (Pedersen, 1983; Lyle et al., 1988; Gardner et al., 1997; Mortyn y Thunell, 1997; Hendy et al., 2004; Kienast et al., 2004; Sánchez y Carriquiry, 2007a, b). De hecho, la desglaciación estuvo caracterizada por un incremento significativo en el enterramiento de C_org en los sitios cercanos a la formación de agua intermedia del Pacfico Norte, al mismo tiempo que se depositaron sedimentos laminados en el PNO (e.g., Crusius et al., 2004). Esto sugiere una mejor preservación de C_org en sedimentos a lo largo del margen nororiental del Pacífico Norte. Si esta hipótesis es verdadera, los registros sedimentarios a lo largo del Pacífico mexicano deberán mostrar cambios en la tasa de enterramiento de C_org para las etapas isotópicas marinas 1, 2 y 3 (EIM–1, 2 y 3).

Ortiz et al. (2004) sugieren que en el periodo de 50 a 11 ka, los cambios en la productividad marina ocurridos en el margen de Magdalena se caracterizaron por condiciones oceanográficas similares a las que ocurren durante los eventos de El Niño–La Niña, con una nutriclina somera y productividad elevada durante episodios cálidos y lo contrario en periodos fríos (similar a las condiciones de productividad ocurridas durante El Niño). Sin embargo, Stott et al. (2000) propusieron que la secuencia de sedimentos laminados a lo largo del PNO puede ser interrumpida por cambios en el flujo de C_org al sedimento, derivados de un decremento en la productividad primaria y exportada, sin necesidad de un cambio en la oxigenación (i.e., ventilación) de la columna de agua a profundidad intermedia, como lo indicaron Behl y Kenneth (1996). De hecho, la comparación de Mo y Cd sugiere que la productividad puede variar hasta en un factor de 2 fuera de Baja California en los últimos 52 ka (Dean et al., 2006).

Schmittner et al. (2007) sugirieron que la variación de la ZOM en el océano PNO puede ser explicada por un cambio en el acarreo de nutrientes hacia el océano Pacífico, lo que pudo llevar a una disminución en la productividad primaria y exportada y a un descenso en la tasa de respiración de la materia orgánica a lo largo de la columna de agua.

En el presente trabajo se realizó la compilación de los datos de la acumulación de carbono orgánico de una serie de 5 núcleos de sedimento recolectados en el Pacífico subtropical mexicano, entre la zona fronteriza de México con Estados Unidos y el margen de Mazatlán. El objetivo de esta compilación es describir y comparar cómo la tasa de enterramiento de C_org varió con la latitud y la profundidad de colecta a lo largo del margen subtropical mexicano durante las EIM–1, 2 y 3.

2. Sitios de colecta

El Pacífico mexicano está caracterizado por una ZOM bien definida entre los 300 y 800 m de profundidad. La concentración de oxígeno se incrementa rápidamente por encima de los 300 m y por debajo de los 800 m de profundidad, producto de la intensa mezcla en la capa superficial del océano y el arribo de masas de agua enriquecidas en oxígeno que ventilan la columna de agua, respectivamente. Asimismo, la concentración de oxígeno aumenta con el cambio de latitud, siendo más evidente hacia la región polar y en menor medida hacia la ecuatorial. La asimetría en la distribución del oxígeno con la latitud y la profundidad es producto de la formación de agua intermedia del Pacífico Norte y de la baja concentración de oxígeno del agua subsuperficial subtropical que en su origen tiene alta concentración de oxígeno, el cual es consumido por la oxidación de la materia orgánica aportada por la productividad oceánica conforme viaja hacia el margen continental mexicano (e.g., van Geen et al., 2003).

Los núcleos sedimentarios utilizados en el presente estudio fueron colectados a lo largo del Pacífico mexicano en diferentes profundidades y años (Figura 1). Las características específicas de cada uno de los núcleos se presentan en la Tabla 1. Cada uno de ellos fue fechado radiométricamente con ¹⁴C, lo que permitió establecer los límites de las EIM–1, 2 y 3 con excepción del núcleo Y74–2–22 cuyos límites de edad fueron establecidos por correlación con el modelo de edad del núcleo LEG 167 ODP–SITE 1020 (para detalles, ver Lyle et al., 2000). Los sitios de colecta estuvieron caracterizados por concentraciones de oxígeno disuelto menores de 5 μmol/kg para los núcleos GC31/PC08, NH15P y NH8P, mientras que los de colecta ODP–Site 1011, NH22P y Y71–2–22 presentaban una concentración de oxígeno de 75, 100 y 125 μmol/kg, respectivamente.

La tasa de sedimentación fue muy variable para cada núcleo (Tabla 1); pero fue mayor en el sitio somero del margen de Magdalena con 30 cm/ka (van Geen et al., 2003). En los sitios de colecta más profundos la tasa de sedimentación fue menor, como lo muestran los núcleos de cuenca Animal, margen de Mazatlán y Magdalena.

3. Marco analítico

La determinación de C_org en los núcleos ODP–SITE1011 de cuenca Animal y Y74–2–22 del margen de Magdalena (Lyle et al., 2000) fue realizada en un analizador elemental Carlo Erba, mientras que los datos de C_org del núcleo GC31/PC08 (Sánchez y Carriquiry, 2007a, b) fueron determinados utilizando un analizador elemental LECO. La concentración de C_org en los núcleos NH15P, NH8P y NH22P en el margen de Mazatlán (Ganeshram y Pedersen, 1998) fue determinada con un analizador elemental Carlo Erba.

4. Tasa de acumulación

5. Registro sedimentario marino

5.1 Cuenca Animal — ODP–SITE 1011

Los valores de C_org para este núcleo estuvieron en un intervalo de 50 a 90 mg cm–² ka^–1 (Figura 2). La acumulación de C_org fue muy similar en las EIM–1 y 2; en la EIM–3 la tasa de acumulación de C_org decreció 20% (Tabla 2).

5.2 Margen de Magdalena — GC31/PC08 y Y74–2–22

La tasa de acumulación de C_org entre ambos núcleos es significativamente diferente en magnitud con respecto de la profundidad de muestreo (Figura 2; Tabla 2). Por ejemplo, la tasa de acumulación de C_org en el núcleo GC31/PC08 varió entre 500 y 1450 mg cm–² ka^–1, mientras que en el núcleo Y74–2–22 la tasa de acumulación de C_org osciló entre 16 y 40 mg cm–² ka^–1 (Figura 2). En las EIM–1 y 2, las tasas de enterramiento de C_org fueron muy similares para cada sitio. En la EIM–3, la tasa de acumulación tiende a ser menor en el núcleo Y74–2–22 respecto de las otras etapas; mientras que en el núcleo GC31/PC08 fue sólo ligeramente mayor que el resto de las etapas. Específicamente, la tasa de sepultamiento de C_org fue muy semejante entre el Holoceno y el EIM–2 a lo largo de la península de Baja California.

5.3 Margen de Mazatlán — NH15P, NH8P y NH22P

Las tasas de acumulación de C_org fueron muy variables entre núcleos y para una misma EIM (Figura 2, Tabla 2). Los núcleos NH15P y NH22P mostraron una mayor tasa de acumulación de C_org durante la EIM–1 que en el resto de las EIM, mientras que el núcleo NH8P tuvo un valor más alto en la EIM–3. La tasa de acumulación disminuye conforme aumenta la profundidad para los núcleos NH22P y NH8P. Particularmente, la tasa de acumulación del núcleo NH15P fue mayor en la EIM–1 que la de los núcleos NH8P y NH22P, pero menor que el núcleo NH8P en la EIM–2 y 3 (Tabla 2).

La acumulación de carbono orgánico, así como de otros trazadores geoquímicos, ha sido utilizada para clarificar la historia de la producción exportada en el Pacífico Norte. Cada herramienta biogeoquímica proporciona información valiosa sobre el ciclo del carbono, sin embargo tienen particularidades y problemas por lo que deben ser usadas con cautela. Numerosos estudios han demostrado una excelente relación positiva entre la productividad primaria, la exportación y el enterramiento de C_org (e.g., Müller y Suess, 1979; Sarnthein et al., 1987; Calvert et al., 1992, 1995; Seiter et al., 2004; Sánchez y Carriquiry, 2007a, b; Paytan, 2008), no obstante las condiciones exactas bajo las cuales el C_org es preservado en el sedimento son objeto de debate (Hartnett et al., 1998; Stott et al., 2000; Thunell et al., 2000; Hedges et al., 2001; Seiter et al., 2004). La tasa de sedimentación alta (e.g., Müller y Suess, 1979), así como la protección física de la materia orgánica por una matriz inorgánica de partículas que se hunden (Hedges et al., 2001), son hipótesis que se han planteado para explicar la preservación de C_org; mientras que la exposición al oxígeno (Hartnett et al., 1998) se ha propuesto para explicar la disminución de C_org (por problemas de preservación). Recientemente, se ha demostrado que la tasa a la cual la materia orgánica lábil es degradada en la columna de agua es la misma tanto para cuencas anóxicas como para el océano abierto (Thunell et al., 2000), indicando que el tiempo de exposición al oxígeno no es el factor dominante sobre la preservación de la materia orgánica sedimentaria. Asimismo, en un estudio realizado en algunas cuencas del PNO, Stott et al. (2000) resaltaron la importancia de la productividad superficial como control, no sólo del contenido de C_org en sedimento, sino también del contenido de oxígeno en el agua de fondo. Estos autores mostraron que la superposición de sedimentos bioturbados sobre sedimentos laminados fue causada por una reducción total en las surgencias costeras (i.e., reducción de producción marina) durante el transcurso del siglo XX. Lyle et al. (1992) compararon la tasa de acumulación de C_org en trampas de sedimento localizadas a 1000 m de profundidad con la del margen de Oregon, E.U.A., y encontraron que sólo 20% del flujo de C_org total es preservado en el sedimento superficial.

Adicionalmente, el hundimiento de C_org es controlado por el arrastre de partículas asociadas y no asociadas a minerales (Oka et al., 2008). Thunell et al. (2007) evaluaron la ballast hypothesis para una serie de trampas de sedimento en las cuencas de Santa Bárbara, Guaymas y Cariaco. Los flujos de C_org están fuertemente correlacionados con los minerales (carbonato, ópalo y litogénicos) en los tres sitios. Esto apoya la ballast hypothesis, donde se ha sugerido que los minerales de mayor densidad optimizan el flujo de materia orgánica al fondo del océano (Klaas y Archer, 2002). Con base en un análisis de regresión múltiple, los tres componentes minerales explican el 72% de la varianza total en el flujo de C_org en los tres sitios, donde las partículas de carbonato biogénico parecen ser las más eficaces para el transporte, tanto en el océano abierto (Klaas y Archer, 2002) como a lo largo de los márgenes continentales (Muller–Karger et al., 2005; Thunell et al., 2007).

La tasa de acumulación de C_org a lo largo del Pacífico oriental mexicano (POM) mostró una tendencia a disminuir conforme incrementa la profundidad, lo que es evidente para los márgenes de Magdalena y Mazatlán durante la EIM–1. Este mismo comportamiento se observa para el margen de Magdalena en las EIM–2 y 3, pero no así para el margen de Mazatlán, donde la tasa de acumulación de C_org se mantiene sin variación en el núcleo NH8P a lo largo de las EIM–1, 2 y 3. Estudios previos describen la distribución de C_org en sedimentos marinos y los mapas generalizados refieren claramente que los márgenes continentales están caracterizados por altos contenidos de C_org que decrecen con la distancia y profundidad en la mayoría de las cuencas oceánicas (Seiter et al., 2004).

La fluctuación observada en la tasa de enterramiento de C_org ha originado dos posibles hipótesis para explicar como la bomba biológica —transferencia de C_org al océano profundo por hundimiento del detritus biogénico— influyó en la concentración de CO2 atmosférico. (e.g., Beaufort et al., 2001). La primera es sustentada por estudios que sugieren que la bomba biológica en latitudes bajas fue más eficiente durante la EIM–2 debido a que el reservorio de nutrientes no fue limitante (e.g., Paytan et al., 1996). En la segunda hipótesis varios autores proponen que la bomba biológica fue más eficaz durante los periodos glaciares porque los nutrientes se utilizaron completamente en latitudes medias y altas, mientras que muchos permanecieron inutilizados durante periodos interglaciares (e.g., Kienast et al., 2004).

Kienast et al. (2004) recopilaron una serie de núcleos del Pacífico Norte, dos de los cuales fueron colectados en la región norte del giro subtropical mostrando evidencias de un incremento en la productividad exportada durante el periodo glacial. Esto contrastó con los datos de la región subpolar que revelaron baja productividad exportada. Estos autores indican que no hay registros en el Pacífico subtropical sobre cambios en la productividad exportada que permitan extender estos registros hacia las regiones centrales de los giros subtropicales. No obstante, algunos registros a lo largo del margen occidental de Norteamérica (Oregon, California, Baja California y Sinaloa) han reportado que la productividad exportada tuvo un cambio latitudinal como el observado por Kienast et al. (2004). Al norte de los 40° de latitud norte la productividad exportada fue menor durante la EIM–2 (Lyle et al., 1992; Sancetta et al., 1992; Dean et al., 1997; Gardner et al., 1997; Ortiz et al., 1997) mientras que al sur de los 40° fue significativamente mayor en la EIM–2 que en el Holoceno (Pedersen, 1983; Lyle et al., 1988; Gardner et al., 1997; Mortyn y Thunell, 1997; Hendy et al., 2004; Kienast et al., 2004; Sánchez y Carriquiry, 2007a, b; Carriquiry y Sánchez, 2010).

En el caso particular del POM, la tasa de acumulación de C_org durante la EIM–2 fue similar o ligeramente mayor a la obtenida en la EIM–1, con excepción de los núcleos NH15P y NH22P, y ligeramente menor para el núcleo NH8P. Específicamente, los registros sedimentarios a lo largo de Baja California, bajo la influencia de la Corriente de California, mostraron un incremento en la productividad exportada durante la EIM–2. Kienast et al. (2004) sugirieron que la productividad exportada incrementó al sur de los 40° de latitud, sin embargo su proposición es limitada debido a que no incluyeron otros registros, como los núcleos colectados a lo largo del margen de California, donde recientemente (Sánchez y Carriquiry, 2007a, b; Carriquiry y Sánchez, 2010) se encontró un incremento en la productividad exportada para el margen de Magdalena, Baja California Sur. Los datos compilados en el presente trabajo confirman que el incremento de la productividad exportada puede extenderse desde los 40° hasta los 20° de latitud norte, con excepción de dos de los tres núcleos, particularmente frente a Mazatlán.

Los resultados de la acumulación de C_org en sedimentos del POM apoyan las evidencias propuestas por Kienast et al. (2004), quienes sugieren una utilización completa y eficiente de los nutrientes a latitudes medias durante la EIM–2. No obstante, la disponibilidad de nutrientes para la zona fótica depende de ciertos mecanismos oceanográficos (e.g., surgencias), a partir de los cuales es posible un incremento en la productividad marina y exportada. La tasa de acumulación de C_org puede ser una herramienta geoquímica confiable para estimar productividad marina y exportada de épocas pasadas (e.g., Paytan, 2008), sin embargo tiene ciertas limitaciones, por lo que debe ser usada con cautela o ser estimada mediante el uso simultáneo de varios indicadores, y así fortalecer las interpretaciones (e.g., Hedges et al., 2001; Seiter et al., 2004).

Particularmente en el núcleo NH8P, fuera del margen de Mazatlán, el flujo de C_org fue de 378±34 mg cm–² ka^–1 y 296±25 mg cm–² ka^–1, y el ópalo biogénico fue 300±16 mg cm–² ka^–1 y 243±24 mg cm–² ka^–1 para el Holoceno y para el EIM–2, respectivamente. Estos flujos no fueron significativamente diferentes entre periodos. De hecho, los porcentajes de ópalo biogénico para el núcleo ODP–SITE 1017 fueron 5.8±0.4 % y 6.0±0.4 % durante el Holoceno y EIM2, respectivamente, en el margen de California (Hendy et al., 2004). Sánchez y Carriquiry (2007a) reportaron flujos de ópalo biogénico para la EIM–1 de 1480±297 mg cm–² ka^–1 y para la EIM2 de 2079±348 mg cm–² ka^–1 en el margen de Magdalena. Estas evidencias sugieren que los márgenes de California y Baja California experimentaron durante la EIM2 una productividad muy similar a otros estudios mencionados para la EIM–1.

En efecto, el POM está caracterizado por la presencia de una intensa zona de oxígeno mínimo que promueve la pérdida de N debido a la desnitrificación de la columna de agua, lo que limita la productividad primaria (Ganeshram et al., 2002). Algunos estudios realizados en esta región han demostrado que la pérdida de N disminuyó durante la EIM–2 (Ganeshram et al., 2002; Thunell y Kepple, 2004) promoviendo un incremento en el reservorio de N, y aparentemente, un aumento de la productividad primaria. Tyrrell (1999) indicó que el fitoplancton requiere de proporciones constantes de N y P, y sugirió que una razón N/P mayor a la razón de Redfield puede suprimir la fijación de N. Por lo que una razón de N/P baja indicaría la fijación de N favoreciendo la productividad, debido a que tiende a balancear la pérdida de N a causa de la desnitrificación (Haug et al., 1998).

Sánchez y Carriquiry (2007a) propusieron un mecanismo oceanográfico que favorece la disponibilidad de nutrientes hacia la fótica durante la EIM–2. Estos autores utilizaron las interpretaciones realizadas de los modelos atmosféricos del grupo de COHMAP (1988) y Kutzbach (1987). Los resultados de estos dos modelos sugirieron que la celda de alta presión del Pacífico norte pudo haberse desplazado hacia una posición más al sur durante la EIM–2, lo que ocasionó una intensificación de los vientos a lo largo del margen continental, entre las latitudes de 40° y 20° norte, que favoreció las condiciones de surgencia que permitieron la disponibilidad de nutrimentos, y de esta forma incrementar la productividad marina y exportada durante la EIM–2 (Gardner et al., 1997; Mortyn y Thunell, 1997; Hendy et al., 2004).

7. Conclusiones

La tasa de acumulación de C_org disminuye con el incremento de la profundidad en los márgenes de Magdalena y Mazatlán. El incremento en la tasa de acumulación de C_org entre las latitudes de 40° y 20° norte, a lo largo del Pacífico nororiental de California y Baja California, sugiere que existió una mejor utilización de los nutrientes durante la EIM–2, lo que apoya la hipótesis propuesta por Kienast et al. (2004). La disponibilidad de nutrientes hacia la zona fótica fue posiblemente ocasionada por surgencias costeras a lo largo del margen continental del Pacífico oriental mexicano generando un incremento en la productividad marina y exportada durante la EIM–2, respecto del Holoceno.

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