Temperaturas superficiales en sitios cercanos a la costa en la Bahía de Antofagasta (Chile) y centros de surgencia adyacentes

Nearshore surface temperatures in Antofagasta Bay (Chile) and adjacent upwelling centers

A Piñones^1,2, JC Castilla¹*, R. Guiñez^1,3, JL Largier⁴

¹ Estación Costera de Investigaciones Marinas y Center for Advanced Studies in Ecology and Biodiversity (CASEB), Pontificia Universidad Católica de Chile, Casilla 114-D, Santiago, 6513677, Chile. *E-mail: jcastill@bio.puc.cl.

² Center for Coastal Physical Oceanography, Department of Ocean, Earth, and Atmospheric Sciences, Old Dominion University, Crittenton Hall, 768 West 52nd Street, Norfolk, VA 23529, USA.

⁴ Bodega Marine Laboratory, University of California, Davis, Bodega Bay, CA 94923, USA.

Recibido en febrero de 2006;
Aceptado en noviembre de 2006.

Resumen

Se analizaron varios años de registros (1997-2003) de la temperatura superficial del mar a lo largo de la costa de la Bahía de Antofagasta —un sistema de bahía semicerrado en la costa norte de Chile— con el propósito de investigar la naturaleza de un patrón de retención de aguas cálidas dentro de la bahía. Utilizando técnicas de análisis de series de tiempo, fue posible confirmar la presencia permanente de agua más cálida en la bahía. Esta característica particular se encontró en la dirección favorable al viento inmediatamente al norte de Punta Jorgillo, con temperaturas que promediaron 2-3°C más que las temperaturas observadas en los sitios de la costa expuesta de la bahía. Se determinaron patrones temporales y espaciales en la temperatura superficial del mar, los que estuvieron asociados a la variabilidad del viento, como lo indicó la correlación entre los primeros modos de las funciones empíricas ortogonales de la temperatura y el forzante viento. Finalmente se discute la importancia de este patrón de aguas cálidas dentro de la bahía y los gradientes térmicos asociados a este patrón, en términos del potencial rol que podría ejercer en la retención de larvas y otros organismos del plancton.

Palabras clave: bahías, surgencia, norte de Chile, "sombra de surgencia", "trampa de surgencia", retención larval.

Several years of sea surface temperature data (1997-2003) for the coast of Antofagasta Bay —a semi-enclosed bay in northern Chile— were analyzed in order to further exploring the nature of a warm-water retention pattern inside the bay. Based on time series techniques, we were able to confirm the persistence of warm water in the bay. This warm feature was found immediately downwind of the upwelling center at Jorgillo Point, where temperatures averaged 2-3°C more than at the exposed upwelling sites outside and the bay. Temporal and spatial patterns in sea surface temperature were determined and showed being well associated with wind variability, indicated by the significant correlation between the first empirical orthogonal function modes of temperature variability and wind forcing. We discuss how the persistence of this warm feature and the thermal gradients or frontal structures associated with it are likely to play an important role in retaining larvae or other planktonic organisms in the bay.

Key words: bays, upwelling, northern Chile, "upwelling shadow", "upwelling trap", larval retention.

Introducción

Las surgencias costeras derivadas del viento se observan a lo largo de muchas costas del mundo. Son fuertes y persistentes en las principales regiones de surgencia frente a costas de latitudes medias de los mayores continentes (e.g., el Sistema de Humboldt frente a las costas de Chile y Perú), y resulta en el enfriamiento y el enriquecimiento del medio ambiente marino, el cual se caracteriza por altos niveles de productividad y biomasa (Fonseca y Farías 1987, Barbieri et al. 1995).

El fuerte transporte superficial y la mezcla profunda de plancton pueden influir negativamente en la productividad primaria y en los altos niveles de nutrientes en estas regiones de surgencia costera (Largier et al. 2006). El transporte superficial remueve plancton de la zona costera, reduciendo las posibilidades de un reclutamiento exitoso de larvas y reduciendo la cantidad de material orgánico particulado (e.g., fitoplancton) disponible para favorecer a los ecosistemas costeros. Este parece ser el caso de los sistemas a lo largo de costas con forma recta y vientos constantes. Sin embargo, las costas de surgencia están caracterizadas por áreas o periodos de refugio, ya sea bahías en las cuales la surgencia es débil o ausente, o periodos de calma en los cuales la surgencia se relaja o se disipa. Estos lugares y estas escalas de tiempo se caracterizan por un calentamiento de las aguas superficiales, a medida que el flujo de calor positivo hacia el océano calienta rápidamente la superficie del mar en la ausencia de vientos de surgencia y de mezcla vertical.

La Bahía de Antofagasta (23°42' S, 70°27' W) es un sistema semicerrado, con orientación hacia el sur (fig. 1), en el cual se observan aguas mas cálidas que las aguas de surgencia adyacentes a la bahía (fig. 2), donde los vientos son permanentes y favorables a las surgencias y soplan en dirección a la bahía. La bahía está delimitada por la Península de Mejillones hacia el lado norte (en la dirección del viento). El centro de Mejillones y la costa alrededor de Punta Jorgillo y El Cobre son dos importantes centros de surgencia en la costa del norte de Chile, con surgencia permanente durante todo el año (Strub et al. 1998, Escribano et al. 2004). La Bahía de Antofagasta es un ejemplo típico de bahía en una región de surgencia, con aguas superficiales mucho más cálidas en comparación con las de las costas adyacentes a la bahía (fig. 2). Este fenómeno ha sido notado por varios trabajos previos en el área (Castilla et al. 2002, Avendaño y Cantillánez 2005). De gran importancia resulta la interpretación de que estas aguas cálidas superficiales son retenidas dentro de la bahía por varios días, en una escala de tiempo que es relevante para los florecimientos de fitoplancton y para la dispersión de larvas de organismos marinos (Avendaño y Cantillánez 2005). Castilla et al. (2002) sugieren que la evidente retención de aguas cálidas en la bahía es un factor clave en la retención de larvas del tunicado Pyura praeputialis en la Bahía de Antofagasta y además un factor clave para explicar el por qué la distribución de P. praeputialis está estrictamente limitado a esta bahía.

Para explorar aún más la naturaleza de esta retención se instalaron termistores en varios sitios a lo largo de la costa de la Bahía de Antofagasta y a lo largo de la costa expuesta, inmediatamente hacia el norte y sur de la bahía. Varios años de datos confirman la persistencia de aguas cálidas en la bahía, las cuales exhiben una señal estacional, sinóptica y diurna, características de temperaturas de aguas costeras. En este manuscrito se describe la variabilidad temporal y espacial de la temperatura del mar en la costa, lo cual se relaciona a forzantes oceanográficos y a los efectos ecológicos que producen estos patrones de temperatura.

Materiales y métodos

Se midió la temperatura superficial del mar en ocho sitios a lo largo de la costa de Antofagasta en el norte de Chile, desde junio de 1997 hasta julio de 2003 (fig. 1). La temperatura fue obtenida mediante de termistores Onset Stoway (precisión de ±0.3°C), instalados sobre superficie rocosa y sumergidos a aproximadamente 0.5 m por debajo del nivel de marea baja. La temperatura fue registrada cada 30 min, y cada tres meses se realizó la recuperación y reinstalación de los termistores. Se calcularon promedios diarios de temperatura del mar y las brechas sin datos de entre uno y tres días fueron interpoladas linealmente. En conjunto con los datos de temperatura del mar a lo largo de la Bahía de Antofagasta se obtuvieron datos semanales de la región El Niño 1+2, los cuales fueron bajados directamente de la página del proyecto TOGA-TAO.

Se obtuvieron observaciones de la velocidad y dirección del viento cada seis horas (0, 6, 12, 18 UTC) de la estación meteorológica ubicada en el Aeropuerto Cerro Moreno de Antofagasta. El vector del viento fue descompuesto en sus componentes este-oeste (transversal a la costa) y norte-sur (a lo largo de la costa). Según Pizarro et al. (1994), y reconociendo que el viento tiene un máximo durante las horas de la tarde, se calcularon promedios diarios del viento utilizando los datos durante horas de la tarde. Una vez más, las brechas sin datos de entre uno y tres días fueron llenadas utilizando interpolación lineal. Finalmente, se calcularon promedios diarios del estrés del viento para las dos componentes del viento (este-oeste y norte-sur) utilizando un coeficiente de arrastre de 1.3 x 10^-3 y una densidad del aire de 1.2 kg m^-3 (Bakun y Nelson 1991).

Se obtuvieron datos de temperatura superficial del mar (TSM) de NOAA (National Oceanographic and Atmospheric Administration), de los satélites que utilizan el radiómetro de alta resolución (AVHRR). Estos datos de TSM tienen una resolución del orden de 1 km (tamaño del pixel). Las imágenes de TSM fueron obtenidas y procesadas en el Centro de Estudios Espaciales de la Universidad de Chile (e.g., Lagos et al. 2002). Estas imágenes cubren el área desde 22.9°S hasta 25.6°S y desde 70.2°W hasta 71.2°W, conteniendo un total de 333 x 355 pixeles.

Para determinar los patrones espaciales y temporales de temperatura se realizaron análisis de series de tiempo a los datos de temperatura del mar, así como también a las series de viento. Primero, para cada sitio se determinaron escalas de decorrelación a partir de las funciones de autocorrelación. Según Emery y Thomson (1998), la escala de decorrelación es el rezago en tiempo en el cual la función no está significativamente correlacionada consigo misma y ésta representa la escala de tiempo típica de variabilidad. Segundo, para investigar patrones espaciales en la variabilidad temporal, es decir cuales sitios muestran fluctuaciones concurrentes en temperatura, se realizaron análisis de funciones empíricas ortogonales (FEO) para seis sitios que contenían datos continuos (brechas sin datos) de 581 días, desde diciembre de 2000 hasta junio de 2002. Debido a que estos registros sólo contienen un ciclo anual completo y debido a que el principal interés de este estudio ha sido la variabilidad sinóptica, se removió el ciclo anual de las series de temperatura antes de realizar el análisis de FEO. Finalmente, para explorar la relación entre los modos de variabilidad dominantes y el viento, se realizó un análisis de correlación cruzada entre las series de tiempo de los modos y el estrés del viento, utilizando un intervalo de confianza de 99% (Emery y Thompson 1998). Adicionalmente, las series de tiempo horarias se suavizaron utilizando un filtro Hanning de 41 h, esto sólo con el propósito de mostrar al lector una mejor representación de las largas series de temperatura (i.e., fig. 3).

Patrón medio espacial

La temperatura superficial del mar en la costa exhibe un patrón que es coherente con aguas más cálidas dentro de la bahía (entre Las Conchillas y Punta Coloso) y un máximo superior a 18°C en La Rinconada, por el sector norte de la bahía (figs. 1a, 2). Las áreas adyacentes hacia el norte (Lagarto y Punta Loberías) y sur (El Cobre y Punta Jorgillo) de la Bahía de Antofagasta son mas frías, con promedios de temperatura entre 15°C y 16°C (figs. 1a, 2). Se observó una diferencia de pequeña escala en la temperatura media entre Punta Coloso y Punta Jorgillo, en la entrada sur de la bahía. La presencia de frentes de temperatura en dicha área ha sido descrita previamente utilizando imágenes de satélite (Castilla et al. 2002, Lagos et al. 2002). En este contexto, el patrón espacial de la temperatura superficial se observa a partir de la distribución de la TSM obtenida del promedio de seis imágenes de TSM (sin condiciones de nubes) entre 1998 y 2000 (fig. 2). Se observó que existe coherencia entre la TSM (obtenida con satélite) y la temperatura del mar en la costa (obtenida con los termistores), en la que la bahía aparece con temperaturas más cálidas (>21°C) que las temperaturas observadas en los sitios hacia el norte y sur de la bahía.

Este patrón en los promedios de temperatura se observa de forma permanente, con La Rinconada como el sitio de máxima temperatura la mayor parte del tiempo, y los sitios en la costa expuesta (como Punta Loberías, Punta Lagarto, Punta Jorgillo y El Cobre) presentan las temperaturas mas bajas, a pesar de la fuerte señal estacional y variabilidad sinóptica (fig. 3). Como extremos de temperatura, en La Rinconada ésta es ligeramente menor a 15°C, mientras que en El Cobre es ligeramente mayor a 16°C. Por otra parte, mientras que la temperatura en La Rinconada y los otros sitios de la bahía supera los 20°C en varias ocasiones, los sitios fuera de la bahía muestran temperaturas iguales o menores a 14°C.

Una vista preliminar de la extensión vertical y hacia fuera de la costa de esta capa de agua superficial mas cálida fue obtenida a través de un crucero conducido en enero de 2000, donde se muestrearon dos transectas paralelas entre sí y perpendiculares a la costa que se muestran en la figura 4. Dentro de los primeros 5 km de la costa se observaron temperaturas superficiales por encima de 20°C mientras que a 20 m de profundidad se encontraron aguas con menos de 14°C. La estratificación cercana a la superficie se extiende hacia fuera de la costa; sin embargo, se debilita a 20 km de la costa donde las temperaturas superficiales son menores a 18°C.

Patrón estacional e interanual

Las temperaturas en todos los sitios muestran un marcado ciclo estacional, específicamente dentro de la bahía, donde las temperaturas de aproximadamente 15°C aumentan a valores de 22-24°C a mediados del verano (e.g., enero de 2002, fig. 3); mientras que, durante la surgencia de verano, las temperaturas en la costa expuesta pueden alcanzar un mínimo (aproximadamente 13°C)—incluso mas frías que las temperaturas de invierno—y donde además existen periodos durante el verano en los que las aguas del centro de surgencia de El Cobre alcanzan hasta 16°C.

Además del ciclo estacional regular, es posible observar diferencias interanuales débiles pero notables (fig. 5). Con respecto a esto, las anomalías de temperatura del mar en la región de El Niño 1+2 son graficadas en la figura 5. Este índice provee una buena representación del comienzo del evento El Niño en el Pacífico suroriental. Por ejemplo, las altas temperaturas a lo largo de la costa expuesta durante 1997-98 están relacionadas con el evento El Niño 1997-98. Durante este periodo la temperatura del mar en la costa alcanza valores tan altos como 5°C por encima de lo observado para otros años.

Variabilidad sinóptica

Resulta importante la variabilidad sinóptica (banda meteorológica) de la temperatura del mar en la costa, con fluctuaciones de hasta 5°C se pueden observar en la mayoría de los sitios (figs. 3, 5). Si definimos la variabilidad sinóptica como las fluctuaciones entre dos y siete días, es posible calcular la influencia relacionada con esta variabilidad sinóptica para seis de los sitios más importantes. A lo largo de la costa expuesta la variabilidad sinóptica explica aproximadamente el 10% de la variabilidad total (fig. 6), mientras que dentro de la bahía esta escala de variabilidad es relativamente más débil (en parte gracias a la fuerte señal estacional dentro de la bahía). Sin embargo, la fuerte variabilidad sinóptica es observada en la zona de frentes alrededor de Punta Coloso y Punta Jorgillo (aproximadamente 20% del total). La idea de menor variabilidad sinóptica dentro de la bahía está apoyada por las largas escalas de tiempo que muestra la escala de decorrelación en la bahía—e.g. 12 días en La Rinconada y 10 días en Las Conchillas (fig. 7). En contraste, los sitios expuestos a surgencia tales como El Cobre, Punta Loberías y Punta Jorgillo exhibieron escalas de tiempo menores (<5 días), así como también Punta Coloso, en la entrada sur de la bahía, de tal forma que mientras los vientos de surgencia controlan la variabilidad en la temperatura en los sitios de la costa expuesta, al parecer las aguas superficiales dentro de la bahía son retenidas por periodos de una o dos semanas.

Covariabilidad espacial

Para explorar el patrón espacial en la variabilidad sinóptica, y de forma notable las diferencias entre los sitios dentro de la bahía y los sitios expuestos, realizamos un análisis de FEO a las series de temperatura del mar con el ciclo anual removido. Aproximadamente 51% de la variabilidad no estacional se explica por el primer modo de FEO, el cual muestra todos los sitios fluctuando al unísono (fig. 8) y que corresponden a fluctuaciones de baja frecuencia (periodos de 40-60 días) consistentes con ondas Kelvin intraestacionales observadas a lo largo de la costa norte de Chile (Shaffer et al. 1997, Ulloa et al. 2001). En contraste, el segundo modo de FEO explica 20% de la varianza y toma en cuenta las diferencias entre los sitios de aguas cálidas al interior de la bahía (Las Conchillas y La Rinconada) y los otros sitios. Las fluctuaciones con esta estructura espacial son más intensas en la banda sinóptica (aproximadamente 5 días). Estos resultados son consistentes con la observación de que la bahía permanece más calida a medida que la costa expuesta se enfría, apoyando la idea de que la bahía retiene aguas y exhibe un carácter térmico que es diferente a la costa expuesta.

Viento como forzante

Los vientos son favorables a la surgencia durante todo el año, pero son más intensos durante los meses de verano (fig. 9). Éstos muestran una fuerte variabilidad sinóptica. Mientras el primer modo de FEO de la variabilidad en la temperatura está dominado por fluctuaciones de baja frecuencia, ésta no muestra relación con el estrés del viento. Sin embargo, el segundo modo de FEO muestra una fuerte variabilidad sinóptica que está significativamente relacionada con el estrés del viento a lo largo de la costa (99% de confianza). El signo de la correlación (y de los vectores propios del segundo modo de FEO) indican que un aumento en los vientos del sur (vientos de surgencia) produce una caída en la temperatura a lo largo de la costa expuesta y un aumento en la temperatura del mar dentro de la bahía, y que la caída en la temperatura responde al viento con un rezago de 0 y 1 días (fig. 10).

Discusión

Las aguas más cálidas en la Bahía de Antofagasta son claramente evidentes en imágenes de satélite (fig. 2, Lagos et al. 2002, Castilla et al. 2000). Aquí hemos mostrado que ésta es una característica permanente, en la que de forma persistente las aguas superficiales dentro de la bahía son más cálidas que las aguas observadas a lo largo de la costa expuesta. Mientras esta característica se encuentra inmediatamente en el área a favor del viento desde Punta Jorgillo (el centro de surgencia en la boca de la bahía), las máximas temperaturas se encuentran en La Rinconada al extremo norte de la bahía. Por lo tanto, mientras esta bahía presenta aguas más cálidas con características de una sombra de surgencia (sensu Graham y Largier 1997), una dinámica adicional y algunas variaciones en este tema son introducidas por la notoria península que actúa como frontera hacia el norte y también debido a la aparente retención (como trampa de surgencia) de aguas superficiales que se produce en el sector norte de la bahía. Hemos mostrado que la orientación de la línea de costa juega un rol importante en la dinámica de los procesos de surgencia en la región. El rol que posee la geometría de la línea de costa ha sido descrito previamente para otros sistemas de surgencia (Narváez et al. 2004, Rodrigues y Lorenzzetti 2001) y para una escala espacial más grande (Figueroa y Moffat 2000, Soto-Mardones et al. 2004). La orientación que tiene la Bahía de Antofagasta para recibir el viento como forzante y la presencia de la Península de Mejillones, aumentan la retención de aguas más cálidas dentro de la bahía, creando un refugio para que las aguas superficiales queden atrapadas dentro de la bahía (Castilla et al. 2002) formando una "trampa de surgencia". Aguas de surgencia con origen hacia el sur de Punta Jorgillo se observan hacia el norte a lo largo de la boca de la Bahía de Antofagasta, además entre la pluma de aguas frías con origen de surgencia y las aguas cálidas dentro de la bahía existe un gradiente térmico persistente, el cual es espacialmente variable (ver figs. 2, 4).

Este gradiente térmico entre la Bahía de Antofagasta y la costa abierta es una característica permanente que nunca se rompe, ni a lo largo de las estaciones ni de los ciclos de surgencia-relajación. La Rinconada y otros sitios de la bahía están permanentemente más cálidos que los sitios de surgencia de El Cobre y Punta Lagarto. Las mayores escalas de tiempo observadas en la variabilidad de la temperatura del mar en La Rinconada sugieren que el centro de estas aguas cálidas tiene un periodo largo de residencia, significativamente más largo que la escala típica de variabilidad sinóptica. De esta forma, en contraste con el ejemplo de Bahía Monterey (EUA), donde las aguas cálidas de la bahía se mezclan durante los procesos de relajación, para el caso de la Bahía de Antofagasta la presencia de aguas cálidas es una característica persistente durante eventos de surgencia y de relajación. Sin embargo, el análisis de FEO sugiere que mientras la bahía como un todo se calienta y se enfría al unísono con las aguas de la costa expuesta, existe un elemento de variabilidad que se observa en un incremento en las temperaturas de la bahía durante vientos favorables a surgencia y el enfriamiento de aguas a lo largo de la costa expuesta (i.e., surgencia). En otras palabras, la bahía es más retentiva (o más estratificada cerca de la superficie) durante los periodos de surgencia activa. Todo esto necesita ser explicado con mayor detalle mediante estudios futuros de circulación y estratificación en la bahía (ver Escribano et al. 2002, 2004).

Con esta característica permanente, se podría esperar que persistieran fuertes gradientes térmicos (frentes de temperatura) en los extremos norte y sur de la boca de la bahía (cerca de Las Conchillas y Punta Coloso, respectivamente). Siguiendo la discusión anterior, estos frentes podrían fortalecerse durante periodos de surgencia activa a lo largo de la costa expuesta, siendo probable que estas estructuras (frentes) sean importantes en la retención de larvas y otros organismos planctónicos en la bahía. Además, para el plancton es importante la variabilidad de alta frecuencia en la temperatura así como lo indica la actividad de mareas internas y forzantes diurnos, donde cualquiera de éstos podría jugar un rol importante en el transporte entre aguas cercanas a la costa y la costa.

Se pueden estimar tiempos de residencia suponiendo que la bahía está cubierta con aguas originadas por surgencia frente a El Cobre y luego interpretar las diferencias en temperaturas como un índice de retención. Siguiendo las estimaciones de flujos de calor realizadas por Kaplan et al. (2001) y otros (e.g., Send et al. 1987, Graham y Largier 1997) y estimando que la capa superficial es somera (sólo unos metros de profundidad), uno obtiene una taza de calentamiento del orden de 0.5-1°C por día. Con respecto a lo que se muestra en la figura 3b, es posible observar que las aguas dentro de la bahía en La Rinconada son del orden de 6-7°C más cálidas durante los meses de verano (enero y febrero), sugiriendo tiempos de residencia del orden de dos semanas, lo que concuerda bien con las estimaciones de tiempo de residencia a partir de las escalas de tiempo de la decorrelación (12 días) para los sitios al interior de la Bahía de Antofagasta.

El presente estudio postula que las aguas cálidas observadas dentro de la Bahía de Antofagasta, claramente evidentes en imágenes de satélite (Castilla et al. 2002, Lagos et al. 2002), son una característica permanente dentro de la bahía, con temperaturas superficiales mayores a las observadas a lo largo de la costa expuesta. Adicionalmente, en la boca de la bahía se observó la presencia de un frente de surgencia persistente y espacialmente variable que puede estar asociado con una circulación de carácter ciclónico dentro de la bahía (Escribano et al. 2002, 2004). Una implicación mayor de la presencia de esta característica hidrográfica es el rol que ésta puede jugar en la retención de plancton y, por lo tanto, en la dinámica y estructura de las comunidades pelágicas y bentónicas en la región. La presencia del frente puede incrementar la retención de larvas dentro de la bahía (Shanks et al. 2000), aumentando la probabilidad de supervivencia y de retención de las especies del meroplancton.

Esta investigación fue financiada por el Proyecto Mellon/ Pontificia Universidad Católica, Minera Escondida Limitada/ Pontificia Universidad Católica, y FONDAP/CASEB (Proyecto 6). Los autores agradecen la colaboración en terreno de nuestros colegas M Cerda, A Delgado y A Caro.

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