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Articulo de referencia

Estudio sobre aerosoles y ecosistemas marinos del Atlántico Norte

Logotipo del proyecto Estudio de Aerosoles y Ecosistemas Marinos del Atlántico Norte (NAAMES). Imagen cortesía de la NASA. El Estudio de Aerosoles y Ecosistemas Marinos del Atlá...

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Logotipo del proyecto Estudio de Aerosoles y Ecosistemas Marinos del Atlántico Norte (NAAMES). Imagen cortesía de la NASA.

El Estudio de Aerosoles y Ecosistemas Marinos del Atlántico Norte ( NAAMES ) fue un programa de investigación científica de cinco años que investigó aspectos de la dinámica del fitoplancton en los ecosistemas oceánicos y cómo dicha dinámica influye en los aerosoles atmosféricos , las nubes y el clima. El estudio se centró en la región subártica del Océano Atlántico Norte, donde se produce una de las mayores floraciones recurrentes de fitoplancton de la Tierra. La larga trayectoria de investigación en esta zona, así como su relativa facilidad de acceso, hicieron del Atlántico Norte un lugar ideal para poner a prueba las hipótesis científicas predominantes con el fin de comprender mejor el papel de las emisiones de aerosoles del fitoplancton en el balance energético de la Tierra . [ 1 ]

NAAMES fue liderado por científicos de la Universidad Estatal de Oregón y la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA). Realizaron cuatro campañas de campo entre 2015 y 2018, diseñadas para observar fases específicas del ciclo anual del fitoplancton: mínimo, clímax, biomasa intermedia decreciente y biomasa intermedia creciente. [ 1 ] Las campañas se diseñaron para observar cada fase única, con el fin de resolver los debates científicos sobre el momento de la formación de floraciones y los patrones que impulsan la recreación anual de las mismas. El proyecto NAAMES también investigó la cantidad, el tamaño y la composición de los aerosoles generados por la producción primaria para comprender cómo los ciclos de floración afectan las formaciones de nubes y el clima. [ 2 ] Los científicos emplearon múltiples métodos de investigación complementarios, incluyendo muestreo intensivo de campo mediante buques de investigación, muestreo aéreo de aerosoles mediante aviones y teledetección mediante satélites.

Los hallazgos de NAAMES, aunque aún no se han publicado, han arrojado luz sobre los aerosoles y los núcleos de condensación de nubes, [ 3 ] [ 4 ] los ciclos anuales del fitoplancton, [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] la fisiología del fitoplancton, [ 8 ] y la biología de mesoescala. [ 9 ] [ 10 ]   También se han publicado varios avances metodológicos, [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] incluyendo nuevos algoritmos de teledetección [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] y avances en la teledetección satelital. [ 17 ] [ 18 ]

Fondo

Hipótesis contrapuestas sobre la proliferación del plancton

Hipótesis científicas contrapuestas sobre la variabilidad del plancton. Figura adaptada de [ 19 ] . Cortesía de NASA.gov.

El proyecto NAAMES buscaba comprender mejor el impacto de las emisiones de bioaerosoles en la dinámica de las nubes y el clima. También pretendía poner a prueba dos hipótesis contrapuestas sobre la proliferación del plancton:

Hipótesis de la profundidad crítica: una perspectiva basada en los recursos.

Fuente: [ 20 ]

La hipótesis de la profundidad crítica es una perspectiva basada en los recursos que explica las floraciones anuales de fitoplancton en el Atlántico Norte. Es la explicación tradicional de la causa de las floraciones primaverales y se ha documentado como un concepto fundamental en los libros de texto de oceanografía durante más de 50 años. Se centra en las condiciones ambientales necesarias para iniciar una floración, como altos niveles de nutrientes, una mezcla menos profunda, mayor luminosidad y temperaturas más cálidas.

El argumento central de la hipótesis de la profundidad crítica es que las floraciones son consecuencia del aumento de las tasas de crecimiento del fitoplancton debido a la disminución de la profundidad de la capa mixta por encima de dicha profundidad. La profundidad crítica es la profundidad de mezcla superficial donde el crecimiento de la biomasa del fitoplancton es igual a las pérdidas de biomasa. En esta hipótesis, las pérdidas son constantes e independientes del crecimiento. La disminución de la biomasa puede deberse al pastoreo , la sedimentación, la dilución, la mezcla vertical, la infección o el parasitismo . Cuando la capa mixta superficial se vuelve menos profunda que la profundidad crítica, se inicia la floración estacional debido a que el crecimiento del fitoplancton supera las pérdidas. Existe una correlación entre el crecimiento del fitoplancton y el aumento de la luz, la temperatura y la menor profundidad de estratificación durante la primavera .

El calentamiento climático puede aumentar la estratificación o disminuir la profundidad de la capa mixta durante el invierno, lo que potenciaría la floración primaveral o aumentaría la biomasa del fitoplancton si esta hipótesis rigiera la dinámica de la floración primaveral del fitoplancton. Una crítica principal a esta visión basada en los recursos es que las floraciones primaverales ocurren en ausencia de estratificación o de aumento de la profundidad de la capa mixta. [ 20 ]

Hipótesis de dilución-reacoplamiento: una perspectiva basada en el ecosistema.

Fuente: [ 21 ]

La hipótesis de dilución-recombinación es una perspectiva ecosistémica del florecimiento anual de fitoplancton en el Atlántico Norte. Esta hipótesis se centra en los procesos físicos que alteran el equilibrio entre el crecimiento y el pastoreo. El florecimiento primaveral se considera una característica de un ciclo anual, y otras características durante el ciclo preparan el terreno para que este florecimiento ocurra.

Esta visión basada en el ecosistema se basa en un experimento de dilución donde la adición de agua de mar diluye a los depredadores pero no cambia el crecimiento del fitoplancton. Por lo tanto, las tasas de crecimiento aumentan con la dilución. [ 21 ]  Aunque el efecto de dilución es transitorio, las interacciones depredador-presa pueden mantenerse si la tasa de adición de agua es igual a la tasa de crecimiento. La profundización de la capa mixta superficial diluye las interacciones depredador-presa y desacopla el crecimiento y el pastoreo. Cuando la capa mixta deja de profundizarse, el aumento en la tasa de crecimiento se hace evidente, pero ahora el crecimiento y el pastoreo vuelven a acoplarse. La disminución de la profundidad de la capa mixta concentra a los depredadores, aumentando así la presión de pastoreo . Sin embargo, el aumento en la disponibilidad de luz contrarresta la presión de pastoreo, lo que permite que las tasas de crecimiento se mantengan altas. A finales de la primavera, cuando la capa mixta es aún menos profunda, el agotamiento de nutrientes o el sobrepastoreo terminan la floración: las pérdidas superan el crecimiento en este punto del ciclo.

El calentamiento climático aumentaría la estratificación y suprimiría la mezcla invernal que se produce con el aumento de la profundidad de la capa mixta. Según esta hipótesis, la supresión de la mezcla invernal disminuiría la biomasa del fitoplancton. [ 21 ]

procesos oceanográficos físicos

Debate sobre la profundidad de la capa mixta

Remolinos de mesoescala

Los remolinos de mesoescala desempeñan un papel importante en la modulación de la profundidad de la capa mixta (MLD). Las fluctuaciones generadas por estos remolinos modulan los nutrientes en la base de la capa mixta. [ 22 ] Estas modulaciones, junto con la disponibilidad de luz, determinan la abundancia de fitoplancton en la región. La disponibilidad de fitoplancton afecta significativamente la red trófica marina y la salud del océano.

Las rápidas corrientes de la Corriente del Golfo serpentean y se separan para crear remolinos. Estos remolinos conservan las propiedades físicas de la masa de agua de la que provienen (por ejemplo, temperatura, densidad, salinidad y otras propiedades dinámicas del océano) al separarse. A medida que los remolinos migran, sus propiedades físicas cambian al mezclarse con el agua circundante. En la Corriente del Golfo, los remolinos migratorios se conocen como remolinos anticiclónicos o ciclónicos según la dirección en la que giran (en el sentido de las agujas del reloj o en sentido contrario). [ 22 ] Los dos tipos de remolinos difieren en su movimiento, propiedades físicas y, por consiguiente, en sus efectos sobre la biología y la química del océano.

La fuerza de Coriolis combinada con corrientes de alta velocidad impulsa el movimiento de los remolinos. Este movimiento crea una protuberancia, es decir, una gran altura de la superficie del mar (SSH) en el centro de los remolinos anticiclónicos. Por el contrario, los remolinos ciclónicos presentan una baja SSH en el centro. La SSH en los remolinos anticiclónicos y ciclónicos disminuye y aumenta, respectivamente, a medida que aumenta la distancia desde el centro. [ 23 ] Los procesos de surgencia y hundimiento en los remolinos crean un núcleo frío y otro cálido. [ 24 ] El hundimiento en el remolino anticiclónico impide que el agua más fría entre en la superficie, creando así un núcleo cálido en el centro . Mientras que en el remolino ciclónico, la surgencia arrastra agua fría profunda y forma un núcleo frío. [ 25 ]

Estudios previos muestran los efectos de profundización de la MLD bajo remolinos anticiclónicos y la disminución de la MLD en remolinos ciclónicos. [ 26 ] [ 27 ] Estos fenómenos pueden deberse a una mayor pérdida de calor a la atmósfera en remolinos anticiclónicos. Esta pérdida de calor causa el hundimiento del agua densa, denominada mezcla convectiva [ 28 ] , y la profundización de la MLD. Por el contrario, en los remolinos ciclónicos la temperatura del agua en el núcleo es menos fría que en el remolino anticiclónico. Por lo tanto, esto no conduce a la profundización de la MLD. Estudios realizados en la región a través de una red de boyas Argo y simulaciones de modelos creadas a través de datos satelitales han mostrado casos de los fenómenos opuestos. La profundización y la disminución de la MLD a través de remolinos es ubicua y varía estacionalmente. [ 22 ] Estas anomalías son más significativas en invierno. Por lo tanto, el papel de los remolinos de mesoescala en la profundidad de la capa de mezcla (MLD) es complejo y depende de procesos simultáneos donde las corrientes inducidas por la cizalladura del viento intensificada contribuyen a una disminución de la profundidad de la MLD en los remolinos anticiclónicos. [ 23 ]

Procesos atmosféricos relevantes

Capa límite marina

La capa límite marina (CLM) es la parte de la atmósfera en contacto directo con la superficie del océano. La CLM está influenciada por el intercambio de calor, humedad, gases, partículas y momento, principalmente a través de la turbulencia. [ 29 ] La CLM se caracteriza por la formación de celdas convectivas (o flujo vertical de aire) sobre la superficie del océano, que perturban la dirección del viento superficial medio y generan textura, rugosidad y olas en la superficie del mar. Existen dos tipos de capas límite. Una es una capa convectiva estable que se encuentra entre los 100 m inferiores de la atmósfera y se extiende hasta aproximadamente 3  km de altura, y se denomina capa límite convectiva (CLC). La otra capa límite se forma como resultado de una inversión atmosférica superficial . Esto generalmente ocurre más cerca de la superficie en ausencia de turbulencia y mezcla vertical, y se determina mediante la interpretación de perfiles verticales de humedad y temperatura. [ 30 ] La capa límite marina (MBL) suele ser un fenómeno localizado y dinámico en el tiempo, por lo que su altura en la columna de aire puede variar considerablemente de una región a otra, o incluso en el transcurso de unos pocos días. El Atlántico Norte es una región donde se forman comúnmente nubes MBL diversas y bien definidas, [ 31 ] y donde la altura de la capa MBL puede estar entre 2,0 y 0,1  km [ 30 ].

Procesos atmosféricos regionales

Los vientos del oeste son vientos predominantes en las latitudes medias (entre 35 y 65 grados de latitud), que soplan en regiones al norte o al sur de las zonas subtropicales de alta presión del mundo. En consecuencia, los aerosoles muestreados sobre el océano Atlántico Norte estarán influenciados por masas de aire originadas en América del Norte y, por lo tanto, se caracterizarán tanto por aportes terrestres naturales como antropogénicos. Para NAAMES, son relevantes las emisiones de la industria y los entornos urbanos en el este de América del Norte, que emiten cantidades sustanciales de sulfatos, carbono negro y compuestos aromáticos. Dichas sustancias pueden transportarse cientos de kilómetros sobre el mar. Esta contribución de influencias continentales puede crear una señal falsamente positiva en las señales de fluorescencia biológica que se miden [ 32 ] y podría afectar las propiedades microfísicas de las nubes en el océano Atlántico Norte abierto. Además, aerosoles como el carbono negro mezclado con dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero se emiten a través de la combustión inerte de combustibles fósiles en los motores de los barcos. Estos hidrocarburos no quemados están presentes en la capa límite marina del Atlántico Norte y en la mayoría de las demás regiones oceánicas remotas. [ 33 ] A medida que estas partículas envejecen o se transforman químicamente en función del tiempo en el aire, pueden alterar sus propiedades microfísicas y químicas al reaccionar con otras partículas en suspensión en el aire.

El papel de los aerosoles

Distribución del tamaño de los aerosoles y sus modos asociados de acumulación o eliminación de la atmósfera. Diagrama original de [ 34 ] y adaptado por [ 35 ] .

aerosoles

Los aerosoles son partículas sólidas muy pequeñas o gotas líquidas suspendidas en la atmósfera o dentro de otro gas, y se forman mediante procesos naturales o por acciones humanas. [ 36 ] [ 37 ] Los aerosoles naturales incluyen ceniza volcánica, partículas biológicas y polvo mineral, así como carbono negro proveniente de la combustión natural de biomasa, como los incendios forestales. Los aerosoles antropogénicos son aquellos que se han emitido por acciones humanas, como la quema de combustibles fósiles o las emisiones industriales. Los aerosoles se clasifican como primarios o secundarios según si se han emitido directamente a la atmósfera (primarios) o si han reaccionado y cambiado su composición (secundarios) después de ser emitidos desde su fuente. Los aerosoles emitidos por el medio marino son uno de los componentes más importantes de los aerosoles primarios naturales. Los aerosoles primarios marinos interactúan con la contaminación antropogénica y, a través de estas reacciones, producen otros aerosoles secundarios. [ 38 ]

Representación del efecto directo y el primer efecto indirecto de los aerosoles sobre el albedo de las nubes y, por lo tanto, sobre el balance radiativo de la Tierra. [ 39 ]

Uno de los componentes más significativos pero inciertos de los modelos predictivos del cambio climático es el impacto de los aerosoles en el sistema climático. [ 40 ] Los aerosoles afectan el balance de radiación de la Tierra de forma directa e indirecta. El efecto directo ocurre cuando las partículas de aerosol dispersan, absorben o exhiben una combinación de estas dos propiedades ópticas al interactuar con la radiación solar e infrarroja incidente en la atmósfera. [ 41 ] Los aerosoles que típicamente dispersan la luz incluyen sulfatos, nitratos y algunas partículas orgánicas, mientras que aquellos que tienden a exhibir una absorción neta incluyen polvo mineral y carbono negro (o hollín). El segundo mecanismo por el cual los aerosoles alteran la temperatura del planeta se llama efecto indirecto, que ocurre cuando las propiedades microfísicas de una nube se alteran causando un aumento en la reflexión de la radiación solar incidente, o una capacidad inhibida de las nubes para desarrollar precipitación. [ 42 ] El primer efecto indirecto es un aumento en la cantidad de gotas de agua, lo que lleva a un aumento en las nubes que reflejan más radiación solar y, por lo tanto, enfrían la superficie del planeta. El segundo efecto indirecto (también llamado efecto de vida útil de la nube) es el aumento en el número de gotitas, lo que simultáneamente causa un aumento en el tamaño de las gotitas y, por lo tanto, un menor potencial de precipitación. Es decir, gotitas más pequeñas significan que las nubes viven más tiempo y retienen un mayor contenido de agua líquida, lo que está asociado con menores tasas de precipitación y mayor albedo de las nubes . [ 43 ] Esto resalta la importancia del tamaño del aerosol como uno de los principales determinantes de la cantidad de aerosol en la atmósfera, cómo se eliminan los aerosoles de la atmósfera y las implicaciones de estos procesos en el clima. [ 34 ] [ 35 ] [ 41 ] Las partículas finas son generalmente aquellas por debajo de 2 micrómetros (μm) de diámetro. Dentro de esta categoría, el rango de partículas que se acumulan en la atmósfera (debido a la baja volatilidad o al crecimiento por condensación de núcleos) es de 0,1 a 1 μm, y generalmente se eliminan del aire a través de la deposición húmeda . La deposición húmeda puede ser precipitación, nieve o granizo. Por otro lado, las partículas gruesas, como las antiguas salpicaduras de agua de mar y las partículas derivadas de plantas, se eliminan de la atmósfera mediante deposición seca . Este proceso a veces también se denomina sedimentación. Sin embargo, los diferentes tipos de aerosoles orgánicos biogénicos presentan distintas propiedades microfísicas, por lo que sus mecanismos de eliminación del aire dependerán de la humedad. [ 44 ]Sin una mejor comprensión del tamaño y la composición de los aerosoles en el Océano Atlántico Norte, los modelos climáticos tienen una capacidad limitada para predecir la magnitud del efecto de enfriamiento de los aerosoles en el clima global. [ 1 ]

Contribución de los aerosoles y gases en la atmósfera al forzamiento radiativo de la Tierra. Esta es la Figura 8.17 del informe de evaluación del Grupo de Trabajo 1 de Firth (AR5) del Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático (IPCC) [ 45 ]. Nótese el efecto de enfriamiento neto de los sulfatos.

Aerosoles de brisa marina

Aunque la cantidad y composición de partículas de aerosol en la atmósfera marina se originan tanto en fuentes continentales como oceánicas y pueden transportarse a grandes distancias, los aerosoles de rocío marino (SSA) recién emitidos constituyen una de las principales fuentes de aerosoles primarios, especialmente por vientos moderados y fuertes. [ 46 ] La emisión global estimada de aerosoles de sal marina pura es del orden de 2000-10 000 Tg por año. [ 38 ] El mecanismo por el cual esto ocurre comienza con la generación de burbujas de aire en las olas rompientes, que luego ascienden a la atmósfera y estallan en cientos de gotas ultrafinas que varían de 0,1-1,0 μm de diámetro. [ 38 ] Los aerosoles de rocío marino están compuestos principalmente de sales inorgánicas, como sodio y cloruro. Sin embargo, estas burbujas a veces transportan material orgánico que se encuentra en el agua de mar, [ 46 ] formando compuestos orgánicos secundarios (SOA) como el dimetilsulfuro (DMS). [ 38 ] Este compuesto juega un papel clave en el proyecto NAAMES.

Una consecuencia biogeoquímica importante de los SSA es su función como núcleos de condensación de nubes . Estas son partículas que proporcionan las superficies necesarias para que el vapor de agua se condense por debajo de las condiciones de sobresaturación. La congelación de la materia orgánica en estos aerosoles promueve la formación de nubes en ambientes más cálidos y secos que donde se formarían de otro modo, [ 47 ] especialmente en latitudes altas como el Océano Atlántico Norte. La materia orgánica en estos aerosoles ayuda a la nucleación de gotas de agua en estas regiones, pero aún quedan muchas incógnitas, como qué fracción contiene materiales orgánicos congelantes de hielo y de qué fuentes biológicas. [ 47 ] Sin embargo, el papel de las floraciones de fitoplancton como fuente de partículas nucleantes de hielo mejoradas se ha confirmado en experimentos de laboratorio, lo que implica el papel importante de estos aerosoles en el forzamiento radiativo de las nubes. [ 48 ] Los aerosoles marinos primarios creados a través de la emisión de estallido de burbujas se han medido en el Atlántico Norte durante la primavera de 2008 por el Experimento Internacional de Química en la Troposfera Inferior del Ártico (ICEALOT). Esta expedición de investigación midió áreas limpias, o de fondo, y encontró que estaban compuestas principalmente por aerosoles marinos primarios que contenían grupos funcionales hidroxilo (58 % ± 13) y alqueno (21 % ± 9), [ 49 ] lo que indica la importancia de los compuestos químicos en el aire con origen biológico. No obstante, la pequeña escala temporal de estas mediciones, además de la imposibilidad de determinar la fuente exacta de estas partículas, justifica la necesidad científica de una mejor comprensión de los aerosoles en esta región. [ 46 ]

Bioaerosoles

Los bioaerosoles son partículas compuestas de componentes vivos y no vivos liberados desde ecosistemas terrestres y marinos a la atmósfera. Estos pueden ser bosques, pastizales, cultivos agrícolas o incluso productores primarios marinos, como el fitoplancton. Las partículas de aerosol biológico primario (PBAP) contienen una variedad de materiales biológicos, incluyendo bacterias, arqueas, algas y hongos, y se ha estimado que comprenden hasta el 25% de la masa total de aerosoles global. [ 38 ] La dispersión de estas PBAP ocurre a través de la emisión directa a la atmósfera mediante esporas de hongos, polen, virus y fragmentos biológicos. Las concentraciones ambientales y los tamaños de estas partículas varían según la ubicación y la estacionalidad, pero son relevantes para NAAMES los tamaños transitorios de las esporas de hongos (0,05 a 0,15 μm de diámetro) y tamaños mayores (0,1 a 4 μm) para las bacterias. [ 38 ] Se ha estimado que los aerosoles orgánicos marinos (OA) varían en magnitud entre 2 y 100 Tg por año, a través de su correlación con los pigmentos de clorofila. [ 50 ] Sin embargo, estudios recientes de OA se correlacionan con la producción de DMS y, en menor medida, con la clorofila, lo que sugiere que el material orgánico en los aerosoles de sal marina está conectado con la actividad biológica en la superficie del mar. [ 38 ] [ 51 ] Por lo tanto, los mecanismos que contribuyen a los aerosoles orgánicos marinos siguen sin estar claros y fueron un foco principal de NAAMES.

Hay cierta evidencia de que los bioaerosoles marinos que contienen cianobacterias y microalgas pueden ser dañinos para la salud humana. El fitoplancton puede absorber y acumular una variedad de sustancias tóxicas, como metilmercurio , [ 52 ] [ 53 ] bifenilos policlorados (PCB) , [ 54 ] e hidrocarburos aromáticos policíclicos . [ 55 ] [ 56 ]  Se sabe que las cianobacterias producen toxinas que pueden aerosolizarse, las cuales, cuando son inhaladas por humanos, pueden afectar los sistemas nervioso y hepático. [ 57 ]   Por ejemplo, Caller et al. (2009) [ 58 ] sugirieron que los bioaerosoles de floraciones de cianobacterias podrían desempeñar un papel en las altas incidencias de esclerosis lateral amiotrófica (ELA) . Además, un grupo de compuestos tóxicos llamados microcistinas son producidos por algunas cianobacterias en los géneros Microcystis , Synechococcus y Anabaena . Estas microcistinas han sido encontradas en aerosoles por varios investigadores, [ 59 ] [ 60 ] y dichos aerosoles han sido implicados como causantes de casos aislados de neumonía , gastroenteritis y enfermedad del hígado graso no alcohólico . [ 61 ] [ 57 ] También se cree que los dinoflagelados están involucrados en la toxicidad de los bioaerosoles, [ 62 ] y el género Ostreopsis causa síntomas como disnea , fiebre, rinorrea y tos. [ 63 ] Es importante destacar que se han encontrado aerosoles tóxicos marinos hasta a 4  km tierra adentro, [ 64 ] pero los investigadores recomiendan estudios adicionales que rastreen el destino de los bioaerosoles más tierra adentro. [ 57 ]

Se ha comprendido que el filo de hongos Ascomycota es el principal contribuyente (72% en proporción relativa a otros filos) a los bioaerosoles marinos, al menos en el Océano Austral. [ 65 ] De estos, Agaricomycetes constituye la mayoría (95%) de las clases de hongos dentro de este filo. Dentro de este grupo, el género Penicillium es el que se detecta con mayor frecuencia en los aerosoles de hongos marinos. Los bioaerosoles de hongos también pueden servir como núcleos de hielo y, por lo tanto, también impactan el balance radiativo en regiones oceánicas remotas, como el Océano Atlántico Norte. [ 65 ]

Además de los aerosoles de rocío marino (véase la sección anterior), los aerosoles biogénicos producidos por el fitoplancton también son una fuente importante de partículas pequeñas (típicamente de 0,2 μm) de núcleos de condensación de nubes (CCN) suspendidas en la atmósfera. El Panel Intergubernamental sobre el Cambio Climático (IPCC) pronosticó un aumento de las temperaturas superficiales oceánicas globales de +1,3 a +2,8 grados Celsius durante el próximo siglo, lo que provocará cambios espaciales y estacionales en las floraciones de fitoplancton del Atlántico Norte. Los cambios en la dinámica de la comunidad afectarán en gran medida a los bioaerosoles disponibles para los núcleos de condensación de nubes. Por lo tanto, la formación de nubes en el Atlántico Norte es sensible a la disponibilidad de bioaerosoles, el tamaño de las partículas y la composición química. [ 1 ]

Bioaerosoles marinos y balance global de radiación

Los aerosoles marinos contribuyen significativamente a los aerosoles globales. Tradicionalmente, el ciclo biogeoquímico y la modelización climática se han centrado en los aerosoles de sal marina, prestando menos atención a las partículas de aerosol de origen biogénico, como los sulfatos y las especies químicas relacionadas emitidas por el fitoplancton. [ 50 ] Por ejemplo, en el Atlántico Norte oriental, durante la floración de primavera de 2002, la alta actividad del fitoplancton se caracterizó más por el carbono orgánico (tanto especies solubles como insolubles) que por las sales marinas. La fracción orgánica del fitoplancton contribuyó hasta con el 63 % de la masa de aerosol en la atmósfera, mientras que durante los períodos invernales de baja actividad biológica solo representó el 15 % de la masa de aerosol. Estos datos proporcionaron evidencia empírica temprana de este fenómeno de emisión, al tiempo que demostraron que la materia orgánica de la biota oceánica puede aumentar las concentraciones de gotitas de nubes hasta en un 100 %. [ 50 ]

Las explosiones de fitoplancton son fuentes importantes de aerosoles biogénicos que proporcionan núcleos de condensación de nubes.

Datos para probar la hipótesis CLAW

Existe evidencia creciente que describe cómo el fitoplancton oceánico afecta el albedo de las nubes y el clima a través del ciclo biogeoquímico del azufre , como se propuso originalmente a finales de la década de 1980. [ 66 ] [ 67 ] La hipótesis CLAW conceptualiza y trata de cuantificar los mecanismos por los cuales el fitoplancton puede alterar la cobertura global de nubes y proporcionar un equilibrio de radiación a escala planetaria o regulación de la homeostasis . A medida que la irradiancia solar impulsa la producción primaria en las capas superiores del océano, los aerosoles se liberan en la capa límite planetaria . Un porcentaje de estos aerosoles se asimila en nubes, que luego pueden generar un bucle de retroalimentación negativa al reflejar la radiación solar. La hipótesis basada en el ecosistema de los ciclos de floración del fitoplancton (explorada por NAAMES) sugiere que un océano que se calienta conduciría a una disminución en la productividad del fitoplancton. La disminución del fitoplancton causaría una disminución en la disponibilidad de aerosoles, lo que puede conducir a menos nubes. Esto daría lugar a un ciclo de retroalimentación positiva, donde unos océanos más cálidos provocarían una disminución de las nubes, lo que a su vez permitiría un mayor calentamiento.

Uno de los componentes clave de la hipótesis CLAW es la emisión de dimetilsulfoniopropionato (DMSP) por el fitoplancton. [ 68 ] Otro compuesto químico, el dimetilsulfuro (DMS), ha sido identificado como un importante compuesto volátil de azufre en la mayoría de los océanos. Se ha estimado que las concentraciones de DMS en el agua de mar del mundo son, en promedio, del orden de 102,4 nanogramos por litro (ng/L). Los valores regionales del Atlántico Norte son aproximadamente 66,8  ng/L. Estos valores regionales varían estacionalmente y están influenciados por los efectos de los aerosoles continentales. [ 69 ] No obstante, el DMS es una de las fuentes dominantes de compuestos volátiles de azufre biogénicos en la atmósfera marina. [ 69 ] Desde su conceptualización, varios estudios de investigación han encontrado evidencia empírica y circunstancial que respalda la hipótesis CLAW en latitudes medias del Océano Atlántico. [ 68 ] La campaña NAAMES buscó proporcionar una comprensión empírica de los efectos de los bioaerosoles marinos en la formación de nubes y el balance de radiación global cuantificando los mecanismos subyacentes a la hipótesis CLAW.

Emisiones de la microcapa superficial del mar

Los compuestos orgánicos disueltos que contienen restos de polisacáridos , proteínas , lípidos y otros componentes biológicos son liberados por el fitoplancton y las bacterias. Estos se concentran en geles de tamaño nanométrico en la superficie de los océanos. Específicamente, dichos compuestos se concentran en la microlámina superficial del mar (SML), la película de agua más superficial del océano. [ 70 ] La SML se considera una "piel" dentro del milímetro superior de agua donde ocurre el intercambio de materia y energía entre el mar y la atmósfera. Los procesos biológicos, químicos y físicos que ocurren aquí pueden ser algunos de los más importantes en cualquier parte de la Tierra, y esta delgada capa experimenta la primera exposición a cambios climáticos como el calor, gases traza, vientos, precipitaciones y también desechos como nanomateriales y plásticos. La SML también desempeña un papel importante en el intercambio de gases aire-mar y en la producción de aerosoles orgánicos primarios. [ 71 ]

Un estudio que utilizó muestras de agua y condiciones ambientales del Océano Atlántico Norte encontró que un exopolímero que contiene polisacáridos y una proteína se aerosolizan fácilmente en las aguas superficiales del océano, y los científicos pudieron cuantificar la cantidad y la resolución de tamaño del transporte primario de material biogénico del mar a la atmósfera. [ 70 ] Estos materiales son lo suficientemente pequeños (0,2 μm) como para ser emitidos en gran medida por el fitoplancton y otros microorganismos. [ 70 ] Sin embargo, predecir la cantidad, la distribución de tamaño y la composición de los aerosoles a través de muestras de agua es actualmente problemático. Los investigadores sugieren que las mediciones futuras se centren en comparar técnicas de detección de fluorescencia que sean capaces de detectar proteínas en aerosoles. [ 70 ] NAAMES cubrió esta laguna de investigación al proporcionar un instrumento basado en fluorescencia (véase la sección sobre instrumentos atmosféricos más adelante), tanto en la columna de aire como cerca de la superficie del mar.

Objetivos de NAAMES

  • Identificar las diferentes características del ciclo anual de las floraciones de fitoplancton en el Atlántico Norte y determinar los diferentes procesos físicos que afectan a esas características.

Para lograr este objetivo, se utilizó una combinación de mediciones realizadas desde buques, aeronaves y teledetección. NAAMES llevó a cabo múltiples campañas durante las distintas fases del ciclo con el fin de capturar las características transitorias importantes de la floración anual y así obtener una visión integral.

  • Comprender cómo interactúan las diferentes características del ciclo anual del fitoplancton del Atlántico Norte para "preparar el escenario" para las floraciones anuales.

Este objetivo busca conciliar las hipótesis contrapuestas basadas en los recursos y en los ecosistemas. El objetivo de NAAMES era proporcionar los estudios de campo mecanicistas necesarios para comprender una visión más holística del ciclo anual de floración.

  • Determinar cómo las diferentes características del ciclo anual del fitoplancton afectan a los aerosoles marinos y a la formación de nubes.

Los efectos de los aerosoles en las nubes son un tema poco estudiado a pesar de las importantes implicaciones que podrían tener para la predicción del cambio climático futuro. Este objetivo abordó esta laguna mediante el uso de métodos de medición combinados para comprender la contribución de diversos aerosoles a la formación de nubes producidas durante cada fase principal del ciclo anual del fitoplancton. [ 1 ]

Metodología

Campañas de campo

Esquema de las diversas estrategias de muestreo para las campañas de investigación de NAAMES, que incluyen sensores satelitales, mediciones y despliegues desde embarcaciones y teledetección aérea. También representa procesos clave, como el auge del fitoplancton y la emisión y dispersión de aerosoles.

Se realizaron cuatro campañas de campo para estudiar los cuatro cambios específicos durante el ciclo anual del plancton. [ 1 ]  Las cuatro campañas de campo de NAAMES sincronizaron la recopilación de datos desde el barco, el aire y los satélites, y se programaron estratégicamente para capturar las cuatro fases únicas de las floraciones de plancton en el Atlántico Norte: transición invernal, fase de acumulación, transición al clímax y fase de agotamiento. [ 1 ]

  • Campaña 1: Muestreo de transición invernal completado del 5 de noviembre al 2 de diciembre de 2015.
  • Campaña 2: El muestreo de la Transición al Clímax se completó del 11 de mayo al 5 de junio de 2016.
  • Campaña 3: Muestreo de la fase de declive completado del 30 de agosto al 24 de septiembre de 2017.
  • Campaña 4: Muestreo de la fase de acumulación completado del 20 de marzo al 13 de abril de 2018.
Área de estudio de NAAMES que muestra las rutas de los buques de investigación y el despliegue de boyas perfiladoras autónomas. Imagen cortesía de la NASA.

Muestreo

Cruceros de investigación a bordo del buque de investigación R/V Atlantis.

Los instrumentos instalados a bordo de los barcos midieron gases, partículas y compuestos orgánicos volátiles por encima de la superficie del océano. También se recolectaron muestras de agua para describir la composición de la comunidad de plancton, las tasas de productividad y respiración, y el estrés fisiológico.

Las cuatro campañas siguieron un plan de barco y vuelo similar. El R/V Atlantis partió de Woods Hole, Massachusetts , para embarcarse en cruceros de 26 días que cubrían 4700 millas náuticas. El barco navegó primero a 40∘{\displaystyle \circ }W. Luego se movió directamente hacia el norte desde 40∘{\displaystyle \circ }N a 55∘{\displaystyle \circ }Latitud N a lo largo de los 40∘{\displaystyle \circ }Paralelo de longitud oeste. Este intenso transecto sur-norte implicó múltiples mediciones estacionarias. El barco regresó entonces al puerto de Woods Hole. [ 1 ]

El muestreo en movimiento (es decir, mientras el barco estaba en marcha) se realizó a lo largo de todo el crucero utilizando el sistema de análisis de agua de mar de flujo continuo del barco. Luego, una vez que llegó al inicio del área de transecto triangular, el barco se detuvo dos veces al día, al amanecer y al mediodía, para realizar mediciones estacionarias con el fin de recolectar muestras de agua para incubación (por ejemplo, respiración) y realizar muestreo de la columna de agua y mediciones ópticas. [ 1 ]

Los científicos también utilizaron boyas autónomas ARGO en tres ubicaciones durante cada expedición. Estos instrumentos flotantes autónomos midieron parámetros como la clorofila (un indicador de la abundancia de fitoplancton), la intensidad lumínica, la temperatura, la densidad del agua y las partículas en suspensión. En total, se desplegaron 12 instrumentos autónomos durante las cuatro expediciones.

Muestreo aéreo

Las mediciones aéreas se diseñaron para realizarse simultáneamente con las travesías de los buques de investigación, de modo que los científicos pudieran vincular los procesos oceánicos con los de la atmósfera inferior. También se sintetizaron datos satelitales para comprender mejor la dinámica del plancton y los aerosoles, y su posible impacto en el clima y los ecosistemas.

El muestreo aéreo se realizó con un C-130 equipado con instrumentos científicos sensibles. La tripulación, con base en St. John's, Canadá , realizó vuelos de 10 horas en un patrón en "Z" sobre el área de estudio. [ 1 ] Los vuelos se llevaron a cabo tanto a gran altitud como a baja altitud para medir la altura de los aerosoles y las características espaciales de los aerosoles y el ecosistema. Los vuelos a gran altitud recopilaron datos sobre los aerosoles por encima de las nubes y mediciones atmosféricas de los aerosoles de fondo en la troposfera. Una vez sobre el barco, el avión realizó descensos en espiral a baja altitud para obtener datos sobre la estructura vertical de los aerosoles. Estos vuelos a baja altitud muestrearon aerosoles dentro de la capa límite marina. El muestreo de nubes midió el número, la densidad y el tamaño de las gotas dentro de las nubes. [ 1 ]

Observaciones satelitales

Las mediciones satelitales se utilizaron en tiempo casi real para ayudar a guiar el movimiento de los barcos y la planificación de vuelos. Las mediciones incluyeron la altura de la superficie del mar, la temperatura de la superficie del mar , el color del océano, los vientos y las nubes. [ 1 ] Los datos satelitales también proporcionaron concentraciones medias de clorofila en la superficie a través del espectrorradiómetro de imágenes de resolución moderada (MODIS) de la NASA , como un indicador de la productividad primaria.

Flotadores ARGO autónomos

Se desplegaron instrumentos autónomos in situ, denominados boyas Argo, para recopilar datos sobre propiedades físicas y mediciones bioópticas. Las boyas Argo son instrumentos alimentados por batería que utilizan un sistema hidráulico para controlar su flotabilidad y así descender y ascender en el agua. Estas boyas registran tanto las propiedades biológicas como las físicas del océano. Los datos recopilados se transmiten de forma remota a través del satélite ARGOS .

Instrumentos atmosféricos

Los instrumentos utilizados para caracterizar los procesos atmosféricos se dividen en aquellos que miden la composición de los gases y aquellos que miden la composición de las propiedades ópticas. Generalmente, los instrumentos de muestreo de aerosoles se clasifican según su capacidad para medir propiedades ópticas, físicas o químicas. Las propiedades físicas incluyen parámetros como el diámetro y la forma de las partículas.

Dos parámetros ópticos que se miden comúnmente son la absorción y la dispersión de la luz por las partículas de aerosol. Los coeficientes de absorción y dispersión dependen de la cantidad de aerosol. [ 72 ]

La boya autónoma ARGOS recopila mediciones de conductividad, temperatura y profundidad (CTD). Ajusta su sistema hidráulico para ascender y descender en el agua.

La dispersión total de la luz por partículas de aerosol se puede medir con un nefelómetro. En cambio, la absorción de luz por aerosoles se puede medir utilizando diversos instrumentos, como el fotómetro de absorción de hollín de partículas (PSAP) y el fotómetro de absorción de luz continua (CLAP). En ambos instrumentos, las partículas se recogen en un filtro y se monitoriza continuamente la transmisión de luz a través de él. Este método se basa en la técnica de la placa integradora, en la que el cambio en la transmisión óptica de un filtro causado por la deposición de partículas se relaciona con el coeficiente de absorción de luz de las partículas depositadas mediante la ley de Beer-Lambert. [ 73 ]

Uno de los instrumentos utilizados para caracterizar la cantidad y composición de bioaerosoles fue el sensor integrado de bioaerosoles de banda ancha (WIBS). Este instrumento utiliza fluorescencia inducida por luz ultravioleta (UV-LIF) para detectar las señales de fluorescencia de aminoácidos comunes como el triptófano y el dinucleótido de nicotinamida y adenina (NADH). Una lámpara que emite luz xenón permite detectar el tamaño y la forma de las partículas mediante bandas ultravioleta de alta precisión (280  nm y 370  nm). [ 32 ]

Hallazgos científicos

Resultados

Algunos resultados derivados de la investigación de NAAMES incluyen artículos científicos sobre aerosoles y núcleos de condensación de nubes, [ 3 ] [ 4 ] ciclos anuales del fitoplancton, [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] fisiología del fitoplancton, [ 8 ] y biología de mesoescala. [ 9 ] [ 10 ]  También ha habido publicaciones sobre metodologías mejoradas [ 11 ] [ 12 ] [ 13 ] incluyendo nuevos algoritmos de teledetección [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] y avances en la teledetección satelital. [ 17 ] [ 18 ]

Ciclos anuales del fitoplancton

Los cambios estacionales en la biomasa del fitoplancton están controlados por las interacciones depredador-presa y los cambios en las condiciones de la capa mixta, como la temperatura, la luz y los nutrientes. Comprender la importancia relativa de estos diversos factores en las diferentes etapas del ciclo estacional permite realizar mejores predicciones de los cambios oceánicos futuros. [ 7 ] Una publicación de NAAMES encontró que la profundidad de la capa mixta invernal estaba correlacionada positivamente con las concentraciones de clorofila en primavera en el mar de Labrador . Las pérdidas por hundimiento durante el invierno fueron compensadas por el crecimiento neto del fitoplancton, y este crecimiento neto invernal fue probablemente una función de la reducción del pastoreo debido a la dilución. [ 6 ]

Fisiología del fitoplancton

Comprender las diferencias taxonómicas en la fotoaclimatación y las estrategias generales de fotoaclimatación de la comunidad fitoplanctónica es importante para construir modelos que dependan de la luz como factor principal que controla la dinámica de las floraciones. Además, una mejor comprensión de la fisiología del fitoplancton impulsada por la luz puede ayudar a obtener mejores lecturas de los datos satelitales sobre concentraciones de clorofila y temperatura de la superficie del mar. [ 5 ] Un estudio de NAAMES determinó las respuestas de fotoaclimatación de múltiples grupos taxonómicos durante un evento de tormenta de 4 días que causó mezcla profunda y reestratificación en el océano Atlántico subártico . Hubo diferencias significativas en la fotoaclimatación y acumulación de biomasa a varias profundidades de intensidad de luz durante el evento de tormenta. [ 8 ]

biología a mesoescala

Uno de los resultados más recientes de la campaña NAAMES incluye una mejor comprensión de cómo la biología ayuda a atraer el dióxido de carbono atmosférico hacia la columna de agua. Específicamente, el impacto de la migración vertical del zooplancton en la exportación de carbono a las profundidades marinas a través de la Bomba Biológica se parametrizó y modeló por primera vez. [ 74 ]

Aerosoles y núcleos de condensación de nubes

Ilustración de las fuentes de aerosoles encontradas durante los cruceros NAAMES [ 75 ]

Se descubrió una clara diferencia estacional en la cantidad de aerosoles de sulfato biogénico en el Atlántico Norte como resultado de la campaña NAAMES. [ 75 ] Estos aerosoles se rastrearon a dos orígenes biogénicos diferentes, ambos marinos debido a la falta de influencias de masas de aire continentales durante el período de estudio. El origen biogénico fue la producción de dimetilsulfuro (DMS) por fitoplancton, que luego actúa como núcleos de condensación de nubes (CCN) y afecta la formación de nubes. Este estudio clasificó los sulfatos como "Sulfato Nuevo", formado por nucleación en la atmósfera; y "Sulfato Añadido", que eran aerosoles existentes en la atmósfera donde se incorporó sulfato. Durante el crucero de noviembre de 2015 (Campaña 1), la sal marina primaria fue el mecanismo principal (55%) para el presupuesto de CCN. Sin embargo, durante la floración primaveral en mayo-junio de 2016 (Campaña 2) el Sulfato Añadido representó el 32% de los CCN mientras que la sal marina representó el 4%. [ 75 ] Estas mediciones empíricas por estacionalidad ayudarán a mejorar la precisión de los modelos climáticos que simulan los efectos de calentamiento o enfriamiento de los bioaerosoles marinos.

Metodologías de medición mejoradas

Los científicos de NAAMES desarrollaron varias técnicas de medición novedosas durante el proyecto. Por ejemplo, la citometría de flujo de clasificación combinada con la detección bioluminiscente de ATP y NADH proporciona una determinación relativamente precisa de la productividad primaria neta, la tasa de crecimiento y la biomasa del fitoplancton. Tanto las pruebas de laboratorio como las de campo validaron este enfoque, que no requiere las técnicas tradicionales de incubación de isótopos de carbono-14. [ 11 ] Otros investigadores de NAAMES emplearon nuevas técnicas para medir la distribución del tamaño de las partículas , que es una métrica importante de la biogeoquímica y la dinámica de los ecosistemas. Al acoplar un analizador de tamaño de partículas de difracción láser sumergible con un sistema de agua de mar de flujo continuo, los científicos pudieron medir con precisión la distribución del tamaño de las partículas tan bien como los métodos más establecidos (pero más intensivos en tiempo y esfuerzo) como el contador Coulter y el citobot de flujo. [ 12 ] Además de las nuevas técnicas oceanográficas, el equipo de NAAMES también desarrolló un método novedoso para recolectar agua de nubes. Una sonda montada en una aeronave utilizó la separación inercial para recolectar gotas de nubes de la atmósfera. Se informó que su técnica de ciclón axial recolectaba agua de nube a una tasa de 4,5 ml por minuto, la cual se almacenaba y posteriormente se analizaba en el laboratorio. [ 13 ]

Nuevos algoritmos de teledetección

Durante las expediciones NAAMES también se desarrollaron avances en algoritmos de teledetección. Zhang et al. proporcionaron correcciones atmosféricas para el instrumento hiperespectral geoestacionario de eventos de contaminación atmosférica y costera (GCAS) utilizando enfoques tanto indirectos [ 14 ] como de sombra de nubes. [ 76 ] Otros científicos probaron nuevos enfoques para medir el tamaño de las gotas de las nubes y descubrieron que el uso de un polarímetro de escaneo de investigación se correlacionaba bien con las mediciones directas de sondas de gotas de nubes y LIDAR de alta resolución espectral. Sus hallazgos sugieren que la recuperación polarimétrica del tamaño de las gotas puede ser una herramienta precisa y útil para medir el tamaño global de las gotas de las nubes. [ 16 ]

Avances en la teledetección oceánica mediante LIDAR satelital

El equipo NAAMES realizó avances en el uso de LIDAR en oceanografía. Por ejemplo, Behrenfeld et al. (2017) demostraron que el LIDAR espacial podía capturar los ciclos anuales de la dinámica del fitoplancton en regiones al norte de los 45°∘{\displaystyle \circ } latitude. Using these new techniques, they found that Antarctic phytoplankton biomass mainly changes due to ice cover, while in the arctic the changes in phytoplankton are driven mainly by ecological processes.[17] In another paper, the team described new advances in satellite LIDAR techniques, and argued that a new era of space-based LIDAR has the potential to revolutionize oceanographic remote sensing.[18]

Future Implications

NAAMES provided groundbreaking data on aerosols and their relationship to numerous ecosystems and oceanographic parameters. Their discoveries and methodologic innovations can be employed by modelers to determine how future oceanic ecosystem changes could affect climate.[1]

NAAMES Data

Finalized versions of field data can be viewed through NASA's Distributed Active Archive Centers (DAACs).  Data for each cruise campaign were stored as separate projects and each campaign's information was publicly released within 1 year of measurement collection. Ship-based information can be viewed through the SeaWiFS Bio-optical Archive and Storage System (SeaBASS) while airborne information can be viewed through the Atmospheric Science Data Center (ASDC).

NAAMES anticipates many additional publications to be released in the coming years from ongoing research and processing of data.

See also

References

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