Characterization of the main iberian peninsula and french atlantic turbid plumes using modis satellite data

Resumo

Se denomina pluma fluvial a aquella región oceánica afectada por la descarga de un río debido a lo cual adquiere diferentes propiedades que el agua oceánica que la rodea: salinidad, temperatura, composición y color. Estas diferencias son debidas a que los ríos transportan al océano agua dulce, nutrientes, sedimentos, materia orgánica e inorgánica y contaminantes, entre otros. Por lo tanto, las plumas fluviales suponen la mayor fuente de transferencia de materiales terrestres al océano, desenvolviendo un papel fundamental en la ecología y morfo-dinámica de las zonas costeras afectadas, ya que son capaces de modular e influenciar sus características geológicas y biogeoquímicas (Körtzinger et al., 2003). Por ejemplo, las plumas fluviales afectan a la estratificación y a los patrones de circulación, debido a las diferencias de densidad causadas por la interacción entre agua dulce y salada (Uncles, 2002). Además, los ríos proporcionan nutrientes a la pluma que pueden sostener altos niveles de fitoplancton aumentando la productividad primaria, lo cual es fundamental para la subsistencia de otros ecosistemas asociados (Ribeiro et al., 2005). Por otro lado, las plumas también pueden transportar contaminantes, disminuyendo la calidad de las aguas costeras (Reifel et al., 2009). Además, las plumas fluviales transportan los sedimentos descargados por los ríos en los océanos, lo cual puede tener implicaciones negativas ya que atenúan la luz solar incidente, lo que supone una cuestión crítica para el crecimiento del fitoplancton y la productividad primaria (Huret et al., 2007). Por lo tanto, las plumas afectan el ciclo de varias especies de peces y mariscos, ya que según las características del material descargado por los ríos, pueden actuar como zonas de dispersión o retención afectando a su abundancia (Grimes and Kingsford, 1996; Wilber and Clarke, 2001). Además los sedimentos transportados desempeñan un papel clave en los procesos de erosión y sedimentación en las zonas costeras (Warrick and Milliman, 2003). También es importante destacar que algunos fenómenos costeros, entre los que se incluyen la presencia de los ríos, pueden condicionar la evolución de la temperatura debido a las diferencias que promueven con el agua oceánica que los rodea. La zona oceánica afectada por el agua de los ríos puede calentarse más intensamente que el agua adyacente o incluso tener una tendencia al enfriamiento, representando un papel fundamental como moduladores del cambio climático (Howden and Murtugudde, 2001; Park et al., 2011; Materia et al., 2012). Este hecho es especialmente relevante teniendo en cuenta el actual contexto de calentamiento global, ya que la temperatura de los océanos se está incrementando a escala global desde mediados del siglo XX (Belkin, 2009; Levitus et al., 2012). Por todas las razones comentadas, las plumas fluviales desempeñan un papel clave en la economía de las comunidades locales a las que afectan, lo cual unido a los efectos inducidos por el cambio climático y al incremento de la población en las regiones costeras, hace que la comprensión y predicción de la dinámica de las plumas, así como el conocimiento de su respuesta bajo ciertas condiciones, sea fundamental en términos científicos y socio-económicos. Estas características generales de las plumas fluviales son aplicables a las formadas en la Península Ibérica, en cuyo estudio nos centraremos en el desarrollo de esta Tesis Doctoral. Este estudio está centrado en las plumas formadas por los principales ríos de la Península Ibérica, en términos de descarga fluvial, debido a diversas motivaciones. Primeramente, cabe destacar que muchos de los ríos más importantes de la vertiente Atlántica de Europa desembocan en la Península Ibérica (Miño, Duero, Tajo, Guadiana y Guadalquivir). Además de los ríos que desembocan en la vertiente Atlántica, cabe destacar otro río importante que vierte en el Mediterráneo, el Ebro, que forma un importante Delta en su desembocadura. Por otro lado cabe también resaltar que la zona costera de la Península Ibérica es una importante fuente de riqueza socio-económica, ya que es una zona de alta producción primaria donde se desarrollan actividades socio-económicas muy importantes entre las que se incluyen el turismo, la pesca o la acuicultura. Muchas de estas actividades se realizan en las zonas de desarrollo de las plumas fluviales, de ahí la importancia y necesidad de conocer en profundidad la variabilidad de las mismas. De hecho, varios estudios a lo largo de los años han analizado las plumas Ibéricas bajo diferentes situaciones, mostrando la importancia de estas plumas para la comunidad científica. Como ejemplos Sousa et al. (2014a) analizaron la pluma del Miño, Otero et al. (2008) la del Duero, Vaz et al. (2011) la del Tajo, Cravo et al. (2006) la del Guadiana, Caballero et al. (2014) la del Guadalquivir y Mestres et al. (2003) la del Ebro. Sin embargo, pocos estudios se desarrollaron aprovechando la potencialidad ofrecida por la teledetección remota de las plumas a través de satélites, que será la fuente de datos principal utilizada en el desarrollo de esta tesis, ya que permite analizar las plumas con una gran resolución y durante periodos de tiempo largos, tal y como se describe a continuación. Muchos de los estudios previos solamente se centraron en el análisis de ciertas situaciones particulares de plumas concretas durante periodos de tiempo limitados. Por lo tanto, el desarrollo de esta tesis supone un avance en la comprensión del comportamiento y dinámica de las principales plumas Ibéricas bajo los principales forzamientos que las afectan. La salinidad es uno de los mejores trazadores naturales para estudiar las plumas fluviales, ya que la zona ocupada por la pluma tiene menor salinidad que la del océano adyacente debido a la influencia del agua dulce del río. Sin embargo, hasta el momento la salinidad no se puede medir a escalas temporales y/o espaciales suficientemente pequeñas como para evaluar adecuadamente el comportamiento de las plumas, ya que están caracterizadas por tener una estructura espacial fina capaz de cambiar rápidamente. Como alternativa, muchos estudios demostraron una buena correlación entre la superficie de baja salinidad causada por la descarga del río (pluma salina) y la coloración característica del océano originada por el material en suspensión transportado por el río (pluma turbia) (Dzwonkowski and Yan, 2005; Palacios et al., 2009; Saldias et al., 2012). Los sensores satelitales son capaces de detectar una señal fuerte en la zona ocupada por el material descargado por el río (pluma turbia), mientras que en las aguas oceánicas no afectadas la señal es nula, pudiendo por lo tanto delimitar la zona ocupada por la pluma fluvial. Por lo tanto, los datos de color del océano obtenidos mediante teledetección, mostraron ser adecuados para analizar las plumas fluviales en numerosos estudios a nivel global debido a su gran resolución espacial y temporal (Miller and McKee, 2004; Nezlin et al., 2005, Wang et al., 2007; Kilham and Roverts, 2011), convirtiéndose en una herramienta muy útil para realizar estudios sobre las plumas. Para el estudio de las plumas fluviales en esta Tesis Doctoral se utilizaron datos de radiancia proporcionados por el sensor satelital Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS), a bordo de los satélites Aqua y Terra y cuyos datos están disponibles en la página web de Ocean Color de la NASA (https://oceancolor.gsfc.nasa.gov/). MODIS fue seleccionado debido a que ofrece una alta resolución espacial (hasta 250 metros) y temporal (datos diarios), lo que permite identificar con precisión la variabilidad de las plumas. La metodología desarrollada para trabajar con los datos de MODIS consistió en lo siguiente: Primeramente, se descargaron los datos brutos del nivel L1A de la página web de Ocean Color para cada zona de estudio. Estos datos se procesaron posteriormente al nivel L1B a través del software SeaWIFS Data Analysis System, versión 7.1 (SeaDAS, Baith et al., 2001), proceso durante el cual se aplicaron las calibraciones instrumentales y radiométricas. Finalmente se generaron los archivos definitivos a nivel L2 obteniendo los datos de las variables geofísicas bajo interés a la mejor resolución posible para cada caso, siguiendo un procedimiento similar al detallado por Aurin et al. (2013). En este proceso se aplicaron una serie de máscaras para reducir los datos erróneos, incluyendo las estándares recomendadas, un límite para el albedo de 0.018 a través de las bandas Short Wave Infrared (SWIR) para descartar la cubierta nubosa, una máscara de 3x3 píxeles alrededor de la tierra y de las nubes para evitar la luz dispersada en los bordes, así como la supresión de valores de radiancia no realistas. También se optó por usar las bandas Near-Infrared (NIR) para la corrección atmosférica, ya que se comprobó que son las que mejor se adaptan para el caso particular de las plumas Ibéricas. Además, se fusionaron los datos diarios proporcionados por ambos satélites para aumentar el número de píxeles disponibles incrementando así la robustez y precisión del estudio. Una vez procesadas y obtenidas las imágenes diarias para cada pluma bajo interés, el objetivo se centró en encontrar el límite turbio característico que mejor define cada pluma, permitiendo diferenciarla del agua oceánica adyacente. Este límite puede ser diferente para cada pluma ya que es dependiente de las características terrestres y la carga sedimentaria de cada río. El límite se obtuvo a través del análisis de la relación existente entre la extensión de la pluma y la descarga fluvial. Una vez obtenidas las imágenes diarias de cada pluma y los límites turbios, se crearon composiciones de estas imágenes que caracterizaran las principales situaciones sinópticas de las plumas, es decir, imágenes promedio que mostraran el estado de las plumas bajo la influencia de los principales forzamientos que las afectan (descarga fluvial, vientos y marea). Primeramente, se definieron las condiciones que caracterizan cada forzamiento a analizar. Por ejemplo, para analizar el estado de la pluma cuando la descarga del río es alta, se estableció como límite el percentil 75, es decir, se promediaron todos los días con descarga mayor que ese percentil para obtener una imagen final que permita conocer el patrón general de la pluma ante ese forzamiento. En este proceso lo que se hizo fue promediar para cada píxel, los valores válidos disponibles para los días que cumplieran las condiciones preestablecidas, obteniendo una imagen final del estado medio de la pluma. Esta metodología permite caracterizar las plumas Ibéricas, así como analizar y comparar sus respuestas ante los forzamientos, ya que se establecieron las mismas condiciones para cada una de ellas. Esto permite establecer comportamientos similares entre plumas y analizar las causas que conducen a las diferencias entre ellas. Es especialmente destacable que, a pesar de la relativa proximidad geográfica entre los principales ríos Ibéricos, los forzamientos pueden afectar a las plumas de forma diferente debido al régimen mareal, a la morfología de la costa y a diferencias regionales en las corrientes costeras, entre otros factores. Los resultados obtenidos se compararon con trabajos previos que analizaron algunos comportamientos particulares de alguna de las plumas bajo estudio, con el objetivo de corroborar la precisión de MODIS para analizar las plumas. Además, la capacidad de MODIS para detectar las plumas también se evaluó a través de la comparación con la pluma salina obtenida de la base Atlantic-Iberian Biscay Irish-Ocean Physics Reanalysis (IBI), mejorando así la robustez de la metodología aplicada. Una vez analizadas y comparadas entre sí las principales plumas de la Península Ibérica, el estudio se amplió para analizar también las plumas más importantes formadas en la vertiente Atlántica de la costa Francesa, incluida en golfo de Vizcaya, ya que están sometidas a condiciones similares que las plumas Ibéricas del Océano Atlántico. En esta zona destacan las plumas formadas por los ríos Loira y Gironda, que en su conjunto proporcionan más del 75% de la descarga total en el golfo de Vizcaya (Lazure et al., 2009). El uso de MODIS para analizar la variabilidad de estas plumas constituye un paso importante debido a las dificultades encontradas en estudios previos para analizar un área tan grande durante largos periodos de tiempo mediante otras metodologías como la simulación numérica o datos in situ. Además, la metodología desarrollada se amplió para conocer la influencia que ejercen los principales patrones de teleconexión del Océano Atlántico, Oscilación del Atlántico Norte (NAO) y el Patrón del Atlántico Este (EA) sobre la dinámica de estas plumas. Finalmente se analizó la influencia de las plumas formadas por los ríos Loira y Gironda sobre la temperatura del mar. La mayor extensión de estas plumas, en comparación con las plumas Ibéricas, sustenta el uso de bases de datos con menor resolución espacial, la cuales permiten analizar las propiedades termohalinas del agua oceánica. Para ello se complementó MODIS con datos de temperatura superficial del agua de la base NOAA1/4 daily Optimum Interpolation Sea Surface Temperature (OISST1/4), y datos de temperatura y salinidad en profundidad obtenidos de la base IBI. Como se ha comentado anteriormente, la influencia de los ríos en las propiedades del agua costera puede hacer que la evolución de los patrones de temperatura sean diferentes respecto al agua oceánica adyacente. En el actual contexto de calentamiento global el análisis y comprensión de estos sistemas capaces de incrementar o incluso revertir esta tendencia es de vital importancia. El trabajo de investigación desarrollado durante la realización de la Tesis Doctoral se estructuró en este manuscrito de la siguiente manera: El capítulo 1 recoge la introducción general acerca de las plumas fluviales, su definición, sus características principales y los principales métodos disponibles para su estudio. También detalla la importancia socio-económica de las principales plumas de la Península Ibérica y de la costa Atlántica Francesa que las hacen susceptibles de estudio y recopila toda la información disponible sobre estudios previos. Finalmente, se describen las características de los principales ríos analizados y sus áreas de influencia El capítulo 2 describe todas las bases de datos utilizadas, así como la metodología general desarrollada para lograr los objetivos planteados. El capítulo 3 analiza en profundidad la pluma formada por el río Ebro en la vertiente Mediterránea de la Península Ibérica. Se optó por comenzar analizando la pluma formada por este río ya que el mar Mediterráneo tiene un régimen micro-mareal, y por lo tanto la marea no afecta prácticamente al desarrollo de la pluma. De esta forma la pluma del Ebro representa una buena opción para analizar el efecto de la descarga fluvial y el viento aislados de la influencia mareal. Para ello se evaluó como las variaciones de la descarga fluvial condicionan el desarrollo de la pluma, así como el impacto del viento a través de sus direcciones principales (viento soplando a lo largo de la costa o perpendicular a ella). Además, esta pluma está sometida a la influencia de una fuerte corriente que fluye hacia el suroeste en su área de desarrollo, la corriente Liguro-Provençal (LPC), por lo que también se analizó su impacto sobre la dinámica de la pluma. Como principales conclusiones se obtuvo que la descarga fluvial es el forzamiento principal, con la extensión de la pluma variando casi monótonamente con el caudal del río. El viento es un forzamiento secundario el cual ejerce una influencia especialmente destacable cuando la pluma se encuentra suficientemente desarrollada (condiciones de descarga elevada). La extensión máxima de la pluma se produce con caudales elevados y vientos del noroeste (viento Mistral), que soplan hacia el océano. Sin embargo, la influencia de la LPC es muy destacable ya que independientemente de las demás condiciones, más del 70% de la pluma se encuentra hacia el sur de la desembocadura. El capítulo 4 analiza en profundidad la pluma turbia formada por el río Duero, el más importante de la Península Ibérica en términos de caudal. En este caso, se incorpora un forzamiento a mayores respecto al Ebro, la marea, ya que el régimen meso-mareal del Atlántico hace que la pluma esté afectada por el ciclo semi-diurno de mareas. Por lo tanto en este capítulo se da un paso más en el análisis y conocimiento de la respuesta de las plumas Ibéricas ante los forzamientos que las afectan. Además de estudiar la influencia de la descarga del río y los vientos en la pluma de forma similar al capítulo anterior, se analizó el estado de la pluma ante situaciones de marea alta y baja. En líneas generales se observó que el río Duero solo es capaz de desarrollar la pluma cuando tiene caudales elevados, lo que hace que la descarga fluvial sea el factor principal. El viento juega un papel clave cuando la descarga es elevada, favoreciendo el transporte del material hacia el océano en caso de vientos favorables al afloramiento o vientos que soplan hacia el mar, lo cual es especialmente significativo en la zona que está alrededor de la desembocadura, donde una protuberancia en forma semicircular se observa claramente bajo ambas condiciones. Por el contrario, los vientos desfavorables al afloramiento y los vientos que soplan hacia costa tienden a dificultar el transporte del material hacia el océano, acumulándolo cerca de costa. En cuanto al efecto del ciclo semi-diurno de la marea, que también fue evaluado bajo descargas elevadas para asegurar pluma suficiente para analizar su efecto, se observó que la pluma alcanza una mayor extensión con unos valores turbios más intensos en condiciones de marea baja. Esto es debido a que la marea alta restringe la salida de material hacia el océano. Sin embargo, las diferencias en el estado de la pluma provocadas por el ciclo semi-diurno de mareas son pequeñas en comparación con los cambios promovidos por los otros factores de forzamiento (descarga fluvial y viento). El capítulo 5 analiza en profundidad la pluma turbia formada por el río Tajo, el más largo de la Península Ibérica. Este río presenta peculiaridades importantes respecto a los ríos analizados anteriormente. Por un lado, vierte al océano dentro de una bahía semi-encerrada que puede limitar el efecto del viento en la pluma. Además, presenta uno de los estuarios más grandes de Europa antes de llegar al océano Atlántico, lo cual va a tener implicaciones importantes en el desarrollo de la pluma debido al gran tiempo de residencia del agua dentro del estuario. Una de ellas será que el ciclo quincenal de mareas (ciclo vivas-muertas) también va a influir en el desarrollo de la pluma, cuyo efecto es despreciable en ríos que vierten directamente al océano, como es el caso del Duero. Como principales conclusiones se obtuvo que la descarga del río es el forzamiento principal, aunque existe pluma incluso con caudales bajos debido a las características del Estuario. Además, la pluma del Tajo tarda 2 días en responder a cambios en el caudal debido al tiempo de residencia del Estuario, a diferencia del Ebro y el Duero, en los que el desarrollo de la pluma está en fase con las variaciones de caudal debido a que vierten directamente al océano. La respuesta de la pluma ante el viento es similar al caso del Duero, aunque con ciertas limitaciones debido al efecto de desembocar en el océano dentro de una bahía semi-encerrada. Esta configuración costera limita el impacto de los vientos del norte (favorables al afloramiento) e impide que la pluma forme una banda costera hacia el norte cuando el viento sopla del sur (vientos desfavorables al afloramiento), ya que presenta una barrera geológica que impide el movimiento de la pluma en esa dirección, constatando como las características geomorfológicas de cada área también ejercen un impacto importante en el desarrollo de la pluma. En cuanto al ciclo semi-diurno de mareas, la pluma es más extensa cuando la marea es baja, con diferencias respecto al estado en marea alta mayores que en el caso del Duero. Además, se observa una mayor extensión de la pluma con condiciones de mareas vivas debido a la mayor cantidad de material exportado desde el estuario con respecto a condiciones de mareas muertas. El capítulo 6 compara el comportamiento de las plumas entre sí, con el objetivo de encontrar patrones comunes y diferentes provocados por los forzamientos principales, analizando las causas que conducen a ellos. Además, analiza el nivel de impacto de cada forzamiento en cada pluma. Para cubrir las plumas más importantes de la Península Ibérica, en este capítulo se añadieron las formadas por los ríos Miño, Guadiana y Guadalquivir. Como conclusiones generales se obtuvo que las plumas formadas por los ríos que presentan un gran estuario antes de desembocar en el océano (Tajo y Guadalquivir) tienen un cierto desfase respecto la descarga del río. Sin embargo, la descarga fluvial es el factor dominante para todas las plumas, siendo la dependencia de la extensión de la pluma moderada o alta para todos los ríos analizados excepto para el Ebro. La dependencia de la pluma respecto al viento es moderada o alta para todos los ríos excepto Guadalquivir y Ebro. Además, todos los ríos de la vertiente Atlántica alcanzan su mayor extensión cuando el viento sopla hacia costa y la mínima con vientos soplando hacia el mar. El Ebro alcanza su extensión máxima y mínima en las situaciones contrarias, lo cual es en parte debido a la influencia de la corriente Liguro-Provençal. Por último, el ciclo semi-diurno de mareas afecta a todas las plumas Atlánticas, que alcanzan una mayor extensión en condiciones de marea baja, aunque la dependencia de la pluma respecto al ciclo semi-diurno de mareas es solamente alta para el Guadiana. En cuanto al ciclo quincenal, se observó que solo afecta significativamente al Tajo, siendo despreciable su efecto en los otros ríos. La pluma del Tajo es mayor en situaciones de marea viva. La pluma del Ebro no se ve afectada por ninguno de los ciclos de marea debido al régimen micro-mareal del Mediterráneo. El capítulo 7, analiza el comportamiento de las plumas más importantes formadas en la costa Atlántica de Francia (Loira y Gironda) ante los forzamientos principales, prestando atención también al efecto de los principales patrones de teleconexión del Atlántico Norte (NAO y EA) sobre su desarrollo. En líneas generales se observó un comportamiento similar a las plumas Ibéricas formadas en el Océano Atlántico, ante la influencia de los forzamientos principales (descarga fluvial y viento). Respecto a los índices de teleconexión, se observó y cuantificó que las plumas son más grandes cuando los patrones EA y NAO están en su fase positiva. Además, en este caso, también se evaluó el impacto de estas plumas sobre las propiedades termohalinas del agua. Se observó como las propiedades termohalinas siguen dinámicas diferentes en la zona costera ocupada por la pluma y en el océano adyacente. En particular, estos ríos mantienen la estratificación invernal en el área ocupada por la pluma, lo que provoca además que la evolución de la temperatura siga patrones diferentes en ambas zonas. En concreto, se observó como en la zona ocupada por la pluma formada por ambos ríos hubo una tendencia al enfriamiento en los meses de invierno (Diciembre-Febrero) durante las últimas tres décadas, que fue especialmente intensa en la última década, lo que contrasta con la tendencia al calentamiento observada en el resto del Golfo de Vizcaya.