Distribución de la clorofila-s durante CIMAR 9 Fiordos Cienc. Tecnol. Mar, 29 (2): 87-94, 2006 87 DETERMINACIÓN DE ZONAS DE ALTA CONCENTRACIÓN DE CLOROFILA-S EN LA REGIÓN NORTE DE LOS FIORDOS Y CANALES AUSTRALES (CRUCERO CIMAR 9 FIORDOS) POR MEDIO DE SENSORAMIENTO REMOTO* REMOTE SENSING DETERMINATION OF HIGH CHLOROPHYLL-S CONCENTRATION ZONES IN THE NORTHERN REGION OF THE SOUTHERN FJORDS AND INLETS (CRUCERO CIMAR 9 FIORDOS) LUISA E. DELGADO VÍCTOR H. MARÍN Laboratorio de Modelación Ecológica, Departamento de Ciencias Ecológicas, Facultad de Ciencias, Universidad de Chile Casilla 653, Santiago. E-mail del primer autor: ldelgado@antar.uchile.cl RESUMEN Este ar tículo describe el uso de imágenes satelitales de clorofila superficial (clorofila-s), obtenidas por medio del sensor SeaWIFS, para la determinación de zonas de alta concentración de fitoplancton en la región norte de los fiordos australes (42o S - 46o S). Las zonas de mayor concentración correspondieron al golfo de Ancud, boca del Guafo, sur de golfo Corcovado y canal Moraleda. Mediante el análisis de 609 imágenes distribuidas entre los años 2000 a 2003 se analizó la posibilidad de usar el sensoramiento remoto en el monitoreo de las condiciones biológicas de la zona. Los resultados sugieren fuertemente en contra de esta metodología, al menos para el sector estudiado. Palabras claves: Clorofila satelital, fiordos Australes, zonas de alta concentración. ABSTRACT This article describes the use of satellite images of sur face chlorophyll (chlorophyll-s), obtained by means of the SeaWIFS sensor, on the determination of high phytoplankton concentration zones in the nor thern region of the southern Fjords (42o S- 46o S). Areas with high concentration were: golfo Ancud, boca del Guafo, golfo Corcovado south and canal Moraleda. We studied the possibility of using remote sensing for the biological monitoring of this area, analyzing 609 images taken between the years 2000 and 2003. Results show that this is not an option for the study area. Key words: Satellite chlorophiyll, Southern Fjords, zones of high concentration. INTRODUCCIÓN Un ecosistema puede ser definido como un conjunto de componentes bióticos y abióticos interactivos, multiescalar y de números medios (Jørgensen, 1992). Su naturaleza multiescalar implica que el análisis de su estructura y función puede ser hecho en una gama diversa de escalas espacio-temporales. De acuerdo a la teoría jerárquica de ecosistemas, las estructuras obser vadas en cada escala pueden ser explicadas * Proyecto CONA-C9F 03-06. sobre la base de distintos procesos (Jörgensen & Müller, 2000). Para los ecosistemas marinos, los patrones de meso escala (cientos de kilómetros) son explicados preferentemente sobre la base de procesos advectivos (Haury et al., 1978; Marín et al., 2003). Tales procesos generan, consecuentemente, correlaciones tiempo-espacio que redundan en la imposibilidad de generar mapas sinópticos si se utiliza un buque oceanográfico como única plataforma para el levantamiento de los datos de las variables de interés. 88 Revista Ciencia y Tecnología del Mar, Vol. 29 (2) - 2006 El estudio sinóptico de la estructura espacial de los ecosistemas marinos se ha visto favorecido por el uso de sensores remotos instalados a bordo de satélites (Halpern, 2000). Por medio de estas técnicas es posible analizar las estructuras que generan procesos tales como la surgencia costera (Marín et al., 2003) y los florecimientos de algas nocivas (Sellner et al., 2003; Stumpf, 2001). En este último caso, la variable de interés, concentración de clorofila, puede ser detectada en forma remota a través del sensor SeaWIFS instalado a bordo del satélite Seastar de NASA (http://seawifs.gsfc.nasa.gov/SEAWIFS. html). El SeaWIFS es un sensor pasivo el cual es afectado por la cobertura nubosa. Vale decir, en presencia de nubes SeaWIFS es incapaz de obtener la información requerida para realizar los cálculos que permiten tener estimaciones de la clorofila super ficial. Ello plantea una gran incógnita respecto de su uso en regiones australes donde la cober tura nubosa tiende a ser dominante durante todo el año (Barbieri et al., 2001). ¿Cuál es la utilidad del sensoramiento remoto pasivo en la zona sur de Chile? ¿Cuáles son las escalas de tiempo y espacio en las que la información generada por el SeaWIFS y otros sensores pasivos resulta de interés? El principal objetivo de este trabajo fue analizar posibles respuestas a estas interrogantes. Un segundo objetivo fue la determinación de zonas de alta concentración de clorofila en la región norte de los fiordos australes de Chile (Mar Interior de Chiloé-Canal Moraleda), especialmente durante el período del Crucero Científico CIMAR 9 Fiordos, del cual este trabajo forma parte. MATERIALES Y MÉTODOS El "Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor" (SeaWIFS) es un sensor óptico instalado a bordo del satélite Seastar (NASA). El propósito del proyecto SeaWIFS es proveer datos cuantitativos de la bio-óptica de los océanos a escala global. El sensor obtiene, por medio de métodos pasivos, información sobre la irradianza en ocho longitudes de onda la que se ve interrumpida en presencia de nubes. Esta información, obtenida con una resolución de 1 Km, es posteriormente procesada por medio del SeaWIFS Data Analysis System (SEADAS). Este programa contiene los algoritmos para calcular la concentración de clorofila, así como otras variables bio-ópticas, a par tir de datos de irradianza, meteorológicos y de ozono. En este proyecto hemos utilizado el algoritmo de color oceánico de 4-bandas (OC4) para estimar la concentración de clorofila (O'Reilly et al., 1998). Este algoritmo ha sido calibrado y validado en diversas regiones del planeta (Hooker & McClain, 2000). Sin embargo, debido a que no se ha validado para el área de estudio, hemos denominado a la variable resultante como clorofila satelital (clorofila-s) para diferenciarla de aquella obtenida a partir, o validada a través, de muestreo directo (Marín & Delgado, 2003). Uno de potenciales usos de las imágenes SeaWIFS es el monitoreo de las condiciones biológicas de las aguas costeras (e.g. desarrollo de florecimientos algales nocivos; Stumpf, 2001). Con el propósito de evaluar esta posibilidad analizamos 609 imágenes distribuidas en tres años (2001-2003). Dadas las características de la zona (alta nubosidad) se usó esta serie de tiempo para propósitos estadísticos, aún cuando la comparación respecto del crucero CIMAR 9 solo corresponde a los datos del año 2003. El análisis consistió en determinar la probabilidad de encontrar imágenes libres de nubes (nubosidad < 20% en cada imagen) para cada mes del año. Las imágenes resultantes fueron luego usadas para determinar áreas de alta concentración de clorofila, por medio de un sistema de información geográfico (Arcview 3.3). Las imágenes fueron georreferenciadas respecto de la línea de costa y transformadas a formato de grilla. Para los propósitos de este trabajo se ha definido como "áreas de alta concentración" aquellas con valores de clorofila-s mayores a 5 mg.L–1. En otras zonas de la costa chilena, hemos usado como límite de alta clorofila el valor de 1,0 mg.L–1 (Marín & Delgado, 2003). Sin embargo, dada la alta heterogeneidad de los fiordos respecto de los valores de clorofila (Pizarro et al., 2005), los valores superiores a 5 mg.l–1 reflejan de mejor manera las zonas de alta clorofila. RESULTADOS Y DISCUSIÓN La zona de los fiordos desde una perspectiva remota El análisis de disponibilidad de imágenes para el período 2000-2003 mostró que, a escala anual, solo un 15% (± 5%) de los días (92 de imágenes de 609) son despejados. La distribución mensual de las probabilidades se presenta en la figura 1. El seguimiento de parches de clorofila-s por medio de técnicas tales como el rastreo de caracteres o "feature-tracking" (Marín et al., 2003), se puede hacer usando imágenes consecutivas (a intervalos entre 1 a 7 días). Se realizó un cálculo teórico de cuantas secuencias podrían estar disponibles en una serie de tiempo de 92 imágenes sobre la base de la ecuación (1): Distribución de la clorofila-s durante CIMAR 9 Fiordos Fig. 1: Fig. 1: 89 Distribución mensual de la probabilidad de días despejados sobre la zona nor te de los fiordos australes (42o S- 46o S). Las probabilidades fueron obtenidas por medio del análisis de imágenes SeaWIFS entre los años 2000 y 2003. Clear sky day’s monthly probability distribution over the nor thern zone of the southern fjords (42o S- 46o S). Probabilities were obtained analyzing SeaWIFS images between the years 2000-2003. n Sec = å i =1 ( N - di ) (1), donde N = total de imágenes disponibles, di = lapso de tiempo entre imágenes para (i = 1 a 7). Aún cuando se podría encontrar un máximo, teórico, de 616 secuencias, el análisis mostró solo 41 secuencias lo que corresponde a una probabilidad igual a 0,06 de observar una secuencia. Por tanto, sobre la base de lo observado y considerando que se obtuvo sólo 92 imágenes claras de 609 analizadas, hay una probabilidad total de 0,009 (0,9%) de poder seguir espacialmente un parche de clorofila sobre la base de imágenes satelitales consecutivas. Esto hace del monitoreo satelital de parches de clorofila-s, una estrategia muy poco aconsejable para la predicción de la localización de florecimientos algales nocivos, al menos en la zona norte de los fiordos australes. Aún cuando el monitoreo satelital de corto plazo no es aconsejable en la zona de estudios, estas sirvieron para generar una visión de macroescala sobre sectores de mayor y menor concentración de clorofila-s. Para ello se determinaron promedio mensual de imágenes libres de nubes, obteniéndose patrones de distribución de la clorofila-s para los meses de noviembre, diciembre, enero y febrero. Un resumen de los sectores de mayor concentración en la zona de estudios se presenta en la figura 2. Este mapa fue generado por medio de la integración espacial de los mapas mensuales de alta concentración de clorofila-s. Vale decir, representa zonas donde son esperables valores de clorofila-s mayores a 5 mg·L–1 durante el período noviembrefebrero; las que ordenadas de norte a sur corresponden a: · · · · El golfo de Ancud-seno Reloncaví, La costa oeste (exterior) de la isla de Chiloé, La boca del Guafo-golfo Corcovado sur y El canal Moraleda. El sector norte del golfo Corcovado, (i.e. la zona que queda al este de la isla de Chiloé) presentó consistentemente bajos valores de clorofila-s. La secuencia temporal de los valores de clorofila-s muestra que estos permanecen altos durante el período noviembre-febrero, produciéndose una disminución notoria durante marzo. Variación temporal de la clorofila-s durante la segunda etapa del Crucero CIMAR 9 Fiordos La segunda etapa del crucero CIMAR 9 Fiordos se realizó entre los días 6 al 21 de noviembre de 2003, concentrándose en la zona del canal Moraleda, boca del Guafo y canales externos (CONA, 2004). Durante este período fue posible obtener tres imágenes SeaWIFS (Fig. 3). Las imágenes muestran que el 2 de noviembre, antes del inicio de los muestreos, las mayores concentraciones se presentaron en el golfo de Ancud con valores por 90 Revista Ciencia y Tecnología del Mar, Vol. 29 (2) - 2006 Fig. 2: Fig. 2: Distribución geográfica de las áreas con clorofila-s mayor de 5,0 mg.m–3. Geographic distribution of areas with chlorophyll-s over 5.0 mg.m–3. Fig. 3: Fig. 3: Distribución espacial de la clorofila-s durante la segunda etapa del crucero CIMAR 9 Fiordos. Chlorophyll-s’ spatial distribution during the second phase of the Crucero CIMAR 9 Fjords. 91 Distribución de la clorofila-s durante CIMAR 9 Fiordos sobre los 50 mg.L–1. El golfo Corcovado, boca del Guafo y el nor te del canal Moraleda presentaron concentraciones entre 1,0 a 3,0 mg.L–1, aún cuando se obser varon parches de alta clorofila-s en el golfo. Para el día 17 de noviembre, el patrón se modificó drásticamente. Los valores en el golfo de Ancud disminuyeron por debajo de los 5,0 mg.L–1; los del golfo Corcovado (en su par te norte) por debajo de 1,0 mg.L–1, mientras que el sur del golfo Corcovado, boca del Guafo y norte del canal Moraleda presentaron valores por sobre los 5,0 mg.L–1 con parches de clorofila-s en exceso de 50,0 mg.L–1. Finalmente, para el día 19 de noviembre los parches de alta concentración de clorofila-s habían desaparecido y la zona se presenta con concentraciones entre los 2,0 y 5,0 mg.L–1. La Tabla I muestra una comparación para la zona de boca del Guafo (despejada en las tres imágenes) de los valores promedio. Con el propósito de generar un modelo explicativo de los cambios obser vados en los valores de clorofilas se cálculo la tasa de crecimiento, r, a par tir de la fórmula: Clat = Clat - d e rt donde, Clat = clorofila-s en el tiempo t, Clat-d = clorofila-s en el tiempo t-d (d = días), r = tasa de crecimiento y τ = t-d. Los resultados muestran que la variación de la clorofila-s promedio entre el 2 y el 17 de noviembre sería explicable sobre la base de un crecimiento del fitoplancton con un valor r de 0,15 d–1. Sin embargo, la disminución observada entre el 17 y 19 de noviembre (r = –0,77 d–1) resulta difícil de ser explicada sobre la base de interacciones biológicas pues correspondería a un pastoreo capaz de disminuir la biomasa fitoplanctónica en un orden de magnitud en dos días. Aún en zonas de alta abundancia de zooplancton tal capacidad es difícil de ser obser vada (e.g. Huntley et al., 1987). Tabla I. Table I. Con el propósito de evaluar la hipótesis alternativa de una disminución en la concentración de clorofila-s debida a procesos físicos (e.g. mezcla o advección) se obtuvo datos de viento por medio del sensor Quickscat, montado a bordo del satélite Quickbird (http://poet.jpl.nasa.gov). Quickscat es un radar que emite pulsos a la super ficie terrestre y posteriormente mide la potencia que es devuelta al instrumento transformándola en valores de velocidad y dirección del viento (NASA, 2001). Solo se obtuvo información de vientos de la región oceánica adyacente a la zona de estudios para los días 16-19 de noviembre 2003 (Fig. 4). La figura 4a muestra que durante el 16 de Noviembre el viento, frente a la boca del Guafo (círculo rojo en la figura), presentó una dirección desde el SW con velocidades entre 4 m.s–1 y 6 m.s–1. El 17 de noviembre el viento cambio de dirección viniendo principalmente desde el norte con velocidades entre 10 m.s–1 y 12 m.s–1 para la boca del Guafo. Para el día 18 de noviembre (Fig. 4b), la velocidad del viento había aumentado hasta valores de 14 m.s–1 a 18 m.s–1 en la zona de interés, con una dirección preferente desde el SE. Este último es el evento de viento de mayor importancia, desde nuestra perspectiva, pues podría explicar sobre la base de fenómenos físicos (e.g. mezcla vertical turbulenta) la brusca disminución de clorofila-s entre el 17 y el 19 de noviembre. En efecto, si se determina por medio de las ecuaciones fenomenológicas de Ekman (Pond & Pickard, 1983), la profundidad de mezcla para un viento de 18 m.s–1 a una latitud de 43o S, esta sería superior a los 80 m. Por tanto, es enteramente probable que la disminución observada en la clorofila-s entre el 17 al 19 de noviembre de 2003 se haya debido a un fenómeno de mezcla vertical. Sensoramiento remoto en los fiordos australes: escalas y límites La mayoría de los sensores remotos capaces de generar información relevante para el análisis y monitoreo de los ecosistemas coste- Variación temporal de la clorofila-s (mg.m–3) para la boca del Guafo durante los días 2, 17 y 19 de noviembre de 2003. La última columna muestra el resultado de calcular la tasa de crecimiento de la clorofila-s. Ver texto para más detalle Temporal variation o s-chlorophyll (mg.m-3) for Boca del Guafo during the 2, 17 and 19 of november 2003. Last column shows the result of calculating the s-chlorophyll growth rate. See text for further details. Fecha 06-Nov-2003 17-Nov-2003 19-Nov-2003 Promedio Desviación estándar Valor máximo 2,4 13,6 2,9 1,3 20,6 1,3 20,5 252,1 13,0 r (1/día) 0,15 -0,77 92 Fig. 4a: Fig. 4a: Revista Ciencia y Tecnología del Mar, Vol. 29 (2) - 2006 Distribución espacial y temporal de los vientos oceánicos superficiales entre las latitudes 39o S y 50o S durante el 16 y 17 de noviembre 2003. El círculo rojo corresponde a la boca del Guafo. Surface oceanic winds spatial-temporal distribution, between 39o S and 50o S (November 16 and 17). The red circle corresponds to the Boca del Guafo. Fig. 4b: Distribución espacial y temporal de los vientos oceánicos super ficiales entre las latitudes 39o S y 50o S durante el 18 y 19 de noviembre 2003. El círculo rojo corresponde a la boca del Guafo. Fig. 4a: Sur face oceanic winds spatial-temporal distribution, between 39o S and 50o S (November 18 and 19). The red circle corresponds to the Boca del Guafo. Distribución de la clorofila-s durante CIMAR 9 Fiordos ros son pasivos. Esto es, obtienen datos provenientes de la super ficie del océano, tales como la irradianza a distintas longitudes de onda, como es el caso del sensor SeaWIFS. Una de las limitantes en el uso de estos sensores es su total dependencia respecto de las condiciones de nubosidad imperantes al momento de sobrevolar la zona de interés. Si la zona está cubierta de nubes, entonces el sensor es ciego respecto de la variable que se intenta monitorear. Nuestros resultados, así como los publicados por Barbieri et al. (2001), muestran que al menos para los propósitos del monitoreo ambiental (e.g. seguimiento de florecimientos de algas nocivas, FAN) el sensoramiento remoto es una estrategia muy poco recomendable en los fiordos australes. Esto es, existe una baja probabilidad (< 1%) de obser var secuencias de imágenes con las cuales se puedan seguir parches de alta concentración de clorofila-s en el espacio a escalas de tiempo conmensurables con las necesidades de un monitoreo para aler ta de FANs. Sin embargo, a escalas mayores (macro-escala) el sensoramiento remoto permite la caracterización espacial de los ecosistemas costeros. Este es, de hecho, uno de los usos propuestos para las imágenes satelitales generadas por sensores pasivos en el estudio y la predicción de mareas rojas en otras regiones geográficas (Anderson et al., 2001). Por ejemplo, este análisis, resultante de promediar espacialmente las imágenes disponibles, permitió caracterizar la zona de estudios desde la perspectiva de la probabilidad de obser var altos valores de clorofilas (Fig. 2). Ello unido al análisis de otras variables posibles de ser obtenidas remotamente (e.g. vientos super ficiales), permite generar explicaciones sobre las variaciones obser vadas en el campo de la clorofila-s. En este caso específico, nuestros resultados muestran que aún cuando los patrones de macro-escala de clorofila-s son consistentes de un mes a otro, ellos pueden ser modificados por eventos físicos de mesoescala como los ocurridos el 18 de noviembre (Fig. 4b). En resumen, la clorofila-s es una variable cuyo análisis en la zona de los fiordos permite una caracterización biológica de macro-escala, siendo posible diferenciar sectores de baja probabilidad para valores altos (> 5 mg·L–1) como el sector nor te del golfo Corcovado y zonas de alta probabilidad como el golfo de Ancud, boca del Guafo, sur del golfo Corcovado y canal Moraleda. A menores escalas espaciales y temporales el uso de esta variable es poco recomendable. 93 AGRADECIMIENTOS Este trabajo fue financiado por el Comité Oceanográfico Nacional, como parte del Crucero CIMAR 9 Fiordos. El uso de las imágenes SeaWIFS forma parte de un contrato entre NASA y V. Marín. REFERENCIAS ANDERSON, D. M., P. ANDERSEN, V. M. BRICELJ, J. J. CULLEN, & J. E. RENSEL. 2001. Monitorong and Management Strategies for Harmful Algal Blooms in Coastal Waters, APEC#201-MR-01.1, Asia Pacific Economic Program, Singapore, and Intergovernmental Oceanographic Commission Technical Series No. 59, París. BARBIERI, M. A., D. BORÉ & S. SÁEZ. 2001. Aspectos generales sobre la estructura térmica superficial del mar, de la zona comprendida entre el golfo de Penas y la boca occidental del estrecho de Magallanes. Cienc. Tecnol. Mar, 24: 101-109. CONA. 2004. Crucero CIMAR 9 Fiordos. Informes Preliminares. Octubre de 2004. Comité Oceanográfico Nacional, Valparaíso. SHOA, 151 pp. HALPERN, D. 2000. 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