UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SUR DEPARTAMENTO DE GEOGRAFÍA Y TURISMO Tesis de Licenciatura en Oceanografía Las propiedades bio-ópticas del Estuario de Bahía Blanca Maximiliano Arena Directora: Dra. Ana Laura Delgado Bahía Blanca, 2018 AGRADECIMIENTOS Quiero dedicar un especial agradecimiento a la Dra. Ana Laura Delgado y la Dra. Paula Pratolongo por iniciarme en el campo de la investigación, brindarme un espacio en el cual pude trabajar y aprender sumamente cómodo y acompañarme en el desarrollo de esta Tesis. Gracias por su dedicación. A mis compañeros del Instituto Argentino de Oceanografía (IADO). Al Club Náutico y en particular a Damián Galera, Rodolfo Amaya y su velero “Singular”, que colaboraron con excelente predisposición, transformando el trabajo de campo en una experiencia amena e inolvidable. Al personal administrativo del Departamento de Geografía y Turismo por atenderme siempre, aconsejarme y solucionar todos mis problemas. A todos los docentes de la carrera que me formaron y acompañaron a lo largo de estos años. En particular al Dr. Gerardo Perillo, la Dra. Cintia Piccolo y la Dra. Elisa Parodi por su buena predisposición y consejos certeros cuando fueron necesarios. A mis padres, Susana y Francisco por fomentar mi vocación y permitirme concluir mis estudios. A mis hermanas, Giselle y Carolina por formar parte de mi vida y a mi sobrina Julieta por enseñarme a ver el mundo con otros ojos. A mi Abuela Elisa por criarme con tanto amor y mimarme siempre. A mis amigos de la vida y a los que hice en la Universidad por tantos buenos momentos. RESUMEN La disponibilidad y calidad de los datos provistos por las imágenes del color del mar permite el estudio de complejas interacciones entre la atmósfera, la tierra y el océano a partir del estudio de las propiedades bio-ópticas, utilizadas como proxy de parámetros físico- biológicos. Los ambientes estuariales son altamente variables y la interacción entre ríos, el ambiente marino y los intercambios entre sedimento y agua determinan la productividad del ambiente. De esta forma, resulta fundamental el análisis y monitoreo de las propiedades físico-químicas y biológicas de las masas de agua en estos ambientes. Es aquí donde la teledetección surge como una herramienta complementaria para abordar esta problemática a partir de datos físicos y biológicos a diversas escalas y resoluciones, permitiendo estudiar a partir de imágenes satelitales, procesos que son imposibles de abordar sobre la base de mediciones in situ. Sin embargo, en ambientes costeros la calidad de estos datos depende fuertemente de la calibración y validación con datos discretos provenientes del área de estudio en cuestión. El trabajo fue realizado en el Estuario de Bahía Blanca (EBB), al Sudoeste de la provincia de Buenos Aires (Argentina). Se plantea como objetivo conocer las propiedades bio-ópticas del estuario y su relación con los componentes ópticamente activos del agua en diferentes zonas del estuario y en distintos estados de marea. Como resultado, las propiedades físico-biológicas del área de estudio mostraron una estrecha relación con los forzantes físicos del ambiente (mareas y corrientes resultantes), presentando variaciones significativas tanto espacial como temporalmente. Asimismo, la geomorfología del ambiente y la disponibilidad de regiones intermareales (las cuales cumplen un rol fundamental en la resuspensión de material hacia la columna de agua), influyeron significativamente sobre las propiedades ópticas, constatando que las variaciones observadas sobre dichas propiedades se encuentran en relación directa con las desviaciones presentadas por los componentes ópticamente activos presentes en la columna de agua (MPS y Chl-a). Por primera vez para el EBB se logró cuantificar y describir el comportamiento de las Propiedades Ópticas en base a coeficientes específicos, y curvas espectrales de absorción y reflectancia determinando que se trata de aguas óptimamente complejas (Caso 2), dominadas por la absorción de partículas no algales (a ) y en menor medida por la absorción del fitopláncton (a ). nap ph ABSTRACT The availability and quality of ocean color data allows the study of complex processes between the atmosphere, the earth and the ocean, with the bio-optical properties, which are proxy of diverse physical and biological parameters. The estuarine environments are highly complex systems defined by the interactions of the fresh water inputs and the marine environment, which define the productivity of the environment. Thus, the analysis and monitoring of the physical, biological and chemical proprieties of the water masses in these environments became fundamental. Remote sensing appears as a complementary tool to approach this problem with physical and biological data in an appropriate spatial and temporal resolution allowing the study of processes which are impossible to approach with only in situ data. On the other hand, in coastal systems the quality of the data strongly depends on the calibration and validation of the algorithms with discrete in situ measurements. The aim of this study was to characterize the bio-optical proprieties and their interaction with the active optical components of water in the Bahia Blanca Estuary (BBE) (Buenos Aires Province, Argentina). The physical-biological parameters were tightly related to physical forcing of the environment (tides and tidal currents), resulting in significant spatial and short- term temporal variations. Furthermore, the geomorphology of the environment and the presence of intertidal flats (source of suspended particulate matter in water column) are considered to be the key factor in the variability of the bio-optical proprieties. For the first time in the BBE, the bio-optical properties behavior was quantified and described based on the specific coefficients, spectral shapes and water reflectance concluding that the study area waters are optically complex (Case 2), dominated by the absorption of non-algal particulate (a ) followed by the absorption by phytoplankton (a ). nap ph ÍNDICE GENERAL 1. INTRODUCCÍON………………………………………………………………………1 1.1. “El color del Mar”……………………………………………………………………...1 1.2. Bio-óptica marina……………………………………………………………………...4 1.3. Definición del problema……………………………………………………………….6 1.4. Antecedentes de estudios de las propiedades bio-ópticas en el Mar Argentino y Zonas Costeras…………………….……………………………………………………...8 1. 5. Estudios de las propiedades ópticas en ambientes estuariales………………………9 1.6. Hipótesis………………………………………………………………………………10 1.7. Objetivos generales y específicos…………………………………………………….10 2. MATERIALES Y MÉTODOS………………………………………………………...12 2.1. Área de estudio………………………………………………………………………..12 Hidrografía…………………………………………………………………………13 Climatología………………………………………………………………………..16 Importancia ecológica del área de estudio…………………………………………16 2.2. Tipo de diseño de la investigación y métodos……………………………………….17 2.2.1. Obtención de las muestras………………………………………………………….17 2.2.2. Parámetros físico-químicos………………………………………………...………20 2.2.3. Turbidez.....................................................................................................................20 2.2.4. Determinación de material particulado en suspensión (MPS)…………………..20 2.2.5. Determinación de concentración de Clorofila-a total (TChl-a), clorofila-a asociada a la fracción microfitoplanctónica (micro Chl-a) y clorofila-a asociada al picofitoplancton y nanofitoplancton (pico + nano Chl-a).................................................................................22 2.3. Curvas de absorción de los componentes ópticamente activos……………………..23 2.3.1. Curvas de absorción del material particulado pigmentado (a ) ph y del material particulado de-pigmentado (a )…………………………………….….24 nap 2.3.2. Curvas de absorción del material orgánico coloreado disuelto (a )…………………………………………………………….……25 cdom 2.4. Mediciones radiométricas in situ……………………………………………………26 3. RESULTADOS………………………………………………………………………....29 3.1. Propiedades físico-biológicas del área de estudio......................................................29 3.1.1. Análisis espacial…………………………………………………………………….30 3.1.2. Análisis temporal………………...…………………………………………………33 3.2. Propiedades ópticas inherentes: absorción del fitoplancton (a ), ph absorción del CDOM (a ) y cdom absorción del material no pigmentado (a )……………………………………………..37 nap 3.2.1. Análisis espacial…………………………………………...………………………..38 Espectros de absorción……………………………….……………….………………..42 3.2.2. Análisis Temporal……………………...…………………………………………..45 Espectros de absorción………………………………………………………..………..45 3.3. Propiedades ópticas aparentes: Reflectancia del agua..……………………………49 3.3.1. Análisis espacial…………………………………………………………………….49 3.3.2. Análisis temporal………………………………………………………………...…50 4. DISCUSIÓN…………………………………………………………………………….52 4.1. Aspectos Físicos y Biológicos…………………………………………...……………52 4.1.1. Análisis Espacial…………………...……………………………………………….52 Temperatura y Salinidad superficial……………………………………………….52 Material particulado en suspensión………………………………………………..53 Clorofila-a………………………………………………………………………….54 4.1.2. Análisis Temporal……………………………………...…………………………...55 Temperatura y Salinidad superficial.........................................................................55 Material particulado en suspensión………………………………………………...56 Clorofila-a………………………………………………………………………….57 4.2. Propiedades ópticas inherentes (IOP’s)……………………………………………58 4.2.1. Análisis Espacial...………………………………………………………………….59 4.2.2. Análisis Temporal……...…………………………………………………………..61 4.3. Propiedades ópticas aparentes: Reflectancia del agua ……………………………..63 4.3.1. Análisis Espacial…………………………………………..………………………..63 4.3.2. Análisis Temporal…………………………………………..………………………65 5. CONCLUSIONES……………………………………………………………………...66 6. BIBLIOGRAFIA……………………………………………………………………….67 ARENA M. 2018 1. INTRODUCCÍON 1.1. “El color del Mar” La caracterización de los elementos que influyen sobre la variabilidad espacial y temporal de la luz en el mar resultan de especial interés para entender y cuantificar diversos procesos ópticos, físicos, químicos y biológicos (Dickey y Falkowski, 2002). La disponibilidad de luz a longitudes de onda adecuadas es un factor esencial para el aumento de biomasa fitoplanctónica, algas bentónicas y macrófitas sumergidas (Gallegos et al., 2005), ya que, mediante procesos de absorción y fotosíntesis, captan el carbono inorgánico del medio (dióxido de carbono) para transformarlo en un una forma orgánica (más comúnmente glucosa) para su consumo. Así, los productores primarios adquieren un rol central en los ecosistemas marinos al modular los ciclos biogeoquímicos de los elementos, la exportación del carbono orgánico desde la zona eufótica al océano profundo y los flujos de energía a través de las redes tróficas (Falkowski y Oliver, 2007). De esta forma intervienen en el balance químico global y en el cambio climático a través de diversos mecanismos, entre los que se destacan la fijación de CO 2 y el calentamiento estacional de la capa superficial del mar mediante procesos de absorción y dispersión de la luz (Satheydranth et al., 1991). Es por eso que conocer el campo de luz al cual se ve expuesto el fitoplancton y su dinámica espacio-temporal se torna importante en términos económicos, ya que dichos organismos representan la base de la red alimenticia oceánica y, gracias a la producción de materia orgánica nutren a los ecosistemas marinos, por lo que se transforman en valiosos indicadores para caracterizar su estado. Mediante la teledetección se logra adquirir información a partir del análisis de datos obtenidos por instrumentos que no están en contacto con el objeto investigado, representando una herramienta eficaz actualmente utilizada para la obtención de datos físicos y biológicos del sistema marino a escala regional y con alta resolución temporal (Dogliotti, 2007). La disponibilidad y calidad de los datos provistos por imágenes del color del mar permite el estudio de complejas interacciones entre la atmósfera, la tierra y el océano (Loisel et al., 2009), obteniendo información sobre la concentración de Chl-a y temperatura superficial del mar entre otros, facilitando de esta forma el análisis de diversas variables con relevancia ecológica y oceanográfica. Entre ellas se destacan, la detección de frentes oceánicos (Gagliardini et al., 1 ARENA M. 2018 2001), derrames de petróleo y geomorfología del fondo (Gagliardini et al., 2004, 2005), como así también hielo marino y aceites naturales (Almandoz et al., 2007). El objetivo de los sensores que trabajan en el color del mar, radica en la obtención de información cuantitativa sobre el tipo y concentración de sustancias presentes en el agua. Dicho análisis se logra a partir del estudio de la variación en la forma de la firma espectral y magnitud de la señal proveniente del agua en la región visible del espectro electromagnético (EEM), entre los 400 y 700 nm, e infrarrojo cercano entre 700 y 1300 nm (IOCCG, 2000) (Figura 1). Figura 1. Espectro electromagnético y las distintas regiones en las que se clasifica. La región visible (0,4 a 0,7 nm) se muestra ampliada. Fuente: Dogliotti, 2007. Los sensores especializados en el color del mar viajan a bordo de satélites captando la radiación emitida hacia el tope de la atmósfera. En aquellas regiones donde el agua es lo suficientemente turbia o la columna de agua posee la profundidad adecuada como para considerar inexistente la contribución del fondo en dicha radiancia, la radiación total recibida por el sensor ((1) en la Figura 2) se encuentra en función de: -la luz dispersada por la atmósfera (2), -la luz reflejada por la superficie del agua (3) y -la luz que emerge de la capa superficial de la misma (4). Esta última es la única relevante en el estudio del color del océano ya que, a partir de procesos de absorción y dispersión de la luz visible como resultado de su interacción con las partículas presentes en el agua (materia orgánica disuelta y material particulado en suspensión, en donde se incluye a las células vivas del fitoplancton, el sedimento inorgánico y el detrito particulado), produce variaciones en las características espectrales de la radiancia marina. A partir de dicha radiancia pueden analizarse los factores que inducen variación en el color del 2 ARENA M. 2018 mar. En este contexto, el resto de las contribuciones ((2) y (3)) actúan como ruido, y para las mismas existen correcciones específicas (Dogliotti, 2007) (Figura 2). Figura 2. Trayecto e interacciones experimentadas por la luz proveniente del sol previo a ser recibida por el sensor (1); (2) interacción de la luz con los componentes de la atmósfera (p.e. aerosoles y moléculas gaseosas como el ozono y el oxígeno); (3) luz directa reflejada especularmente por la superficie del agua; y (4) la luz emergente del agua luego de interactuar con las sustancias presentes en el cuerpo de agua (p.e. agua, fitoplancton, partículas, etc.). Fuente: Dogliotti, 2007. Si bien el uso de información satelital es de gran utilidad, la misma presenta ciertas limitaciones, especialmente en zonas costeras donde la Chl-a no es el único elemento que interactúa con la luz, ya que, la presencia de sedimento y materia orgánica disuelta coloreada (CDOM) modifican las propiedades ópticas alterando asimismo el color del mar. Es por eso que según las propiedades ópticas, los ambientes marinos pueden clasificarse en dos grandes grupos (Jerlov, 1976; Morel y Prieur, 1977): -Aguas Caso 1: Típicamente oceánicas, son aguas claras con baja concentración de partículas en suspensión donde la Chl-a correlaciona positivamente con los coeficientes de 3