Óptica oceánica

La óptica oceánica es el estudio de cómo la luz interactúa con el agua y los materiales que la componen. Aunque la investigación suele centrarse en el mar, el campo incluye en líneas generales ríos, lagos, aguas continentales, aguas costeras y grandes cuencas oceánicas. La forma en que la luz actúa en el agua es fundamental para el funcionamiento de los ecosistemas bajo el agua. El conocimiento de la óptica oceánica es necesario en la investigación de teledetección acuática para comprender qué información se puede extraer del color del agua tal como aparece en los sensores satelitales en el espacio. El color del agua tal como lo ven los satélites se conoce como color del océano . Si bien el color del océano es un tema clave de la óptica oceánica, la óptica es un término más amplio que también incluye el desarrollo de sensores submarinos que utilizan métodos ópticos para estudiar mucho más que el color, incluida la química oceánica, el tamaño de las partículas, la obtención de imágenes de plantas y animales microscópicos, y más.

En las aguas que son “ópticamente profundas”, el fondo no refleja la luz solar entrante y ni los humanos ni los satélites pueden ver el fondo marino. ^[1] La gran mayoría de los océanos del mundo por área son ópticamente profundos. Las aguas ópticamente profundas pueden ser relativamente poco profundas en términos de profundidad física total, siempre que el agua sea muy turbia, como en los estuarios.

En los lugares donde las aguas son “ópticamente poco profundas”, el fondo refleja la luz y, a menudo, puede ser visto por humanos y satélites. ^[2] En estos casos, la óptica oceánica también se puede utilizar para estudiar lo que hay debajo del agua. En función del color que aparece ante los sensores, los investigadores pueden mapear los tipos de hábitat, incluidas las macroalgas, los corales, los lechos de pastos marinos y más. El mapeo de los entornos de aguas poco profundas requiere conocimientos de óptica oceánica porque el color del agua debe tenerse en cuenta al observar el color del entorno del lecho marino que se encuentra debajo.

Las propiedades ópticas inherentes (IOP) dependen de lo que haya en el agua. Estas propiedades permanecen invariables sin importar la luz que incida sobre ella (de día o de noche, con un ángulo solar alto o bajo). ^[3]

Las aguas con grandes cantidades de sustancias disueltas, como los lagos con grandes cantidades de materia orgánica disuelta coloreada ( CDOM ), experimentan una alta absorción de luz. El fitoplancton y otras partículas también absorben la luz. ^[4]

Las áreas con hielo marino, los estuarios con grandes cantidades de sedimentos suspendidos y los lagos con grandes cantidades de harina glacial son ejemplos de cuerpos de agua con alta dispersión de luz. Todas las partículas dispersan la luz en cierta medida, incluido el plancton, los minerales y los detritos. El tamaño de las partículas afecta la cantidad de dispersión que ocurre en diferentes colores; por ejemplo, las partículas muy pequeñas dispersan la luz exponencialmente más en los colores azules que en otros colores, por lo que el océano y el cielo son generalmente azules (llamado dispersión de Rayleigh ). Sin dispersión, la luz no "iría" a ninguna parte (fuera de un haz directo del sol u otra fuente) y no podríamos ver el mundo que nos rodea. ^[5]

La atenuación en el agua, también llamada atenuación del haz o coeficiente de atenuación del haz , es la suma de toda la absorción y dispersión. La atenuación de un haz de luz en una dirección específica se puede medir con un instrumento llamado transmisómetro. ^[6]

Las propiedades ópticas aparentes (AOP) dependen de lo que hay en el agua (IOP) y de lo que sucede con la luz entrante del Sol. Las AOP dependen en gran medida de las IOP y solo dependen en cierta medida de la luz entrante, es decir, el “campo de luz”. Las características del campo de luz que pueden afectar las mediciones de AOP incluyen el ángulo en el que la luz incide sobre la superficie del agua (alto en el cielo vs. bajo en el cielo, y desde qué dirección de la brújula) y las condiciones climáticas y del cielo (nubes, neblina atmosférica, niebla o estado del mar, es decir, la rugosidad de la superficie del agua). ^[7]

La reflectancia de teledetección (Rrs) es una medida de la luz que irradia desde debajo de la superficie del océano en todos los colores, normalizada por la luz solar entrante en todos los colores. Debido a que Rrs es una relación, es ligeramente menos sensible a lo que sucede con el campo de luz (como el ángulo del sol o la neblina atmosférica). ^[8]

La Rrs se mide utilizando dos espectrorradiómetros emparejados que miden simultáneamente la luz que entra desde el cielo y la luz que sube desde el agua en muchas longitudes de onda. Dado que es una medición de la relación luz-luz, las unidades de energía se cancelan y la Rrs tiene las unidades de por estereorradián (sr-1) debido a la naturaleza angular de la medición (la luz ascendente se mide en un ángulo específico y la luz entrante se mide en un plano desde un área semihemisférica por encima de la superficie del agua). ^[9]

K _d es el coeficiente difuso (o descendente) de atenuación de la luz (K _d ), también llamado simplemente atenuación de la luz , coeficiente de extinción vertical o coeficiente de extinción . ^[10] K _d describe la tasa de disminución de la luz con la profundidad en el agua, en unidades de por metro (m ⁻¹ ). La "d" representa la luz descendente, que es la luz que viene desde arriba del sensor en forma de medio hemisferio (también conocida como la mitad de una pelota de baloncesto). Los científicos a veces usan K _d para describir la disminución de la luz visible total disponible para las plantas en términos de radiación fotosintéticamente activa (PAR) , llamada "K _d (PAR)". En otros casos, Kd puede describir la disminución de la luz con la profundidad en un espectro de colores o longitudes de onda, generalmente escrito como "K _d (λ)". En un color (una longitud de onda), Kd puede describir la disminución de la luz con la profundidad de un color, como la disminución de la luz azul en la longitud de onda de 490 nm, escrita como "K _d (490)".

En general, K _d se calcula utilizando la Ley de Beer y una serie de mediciones de luz recogidas desde justo debajo de la superficie del agua hasta el fondo del agua a muchas profundidades. ^{[11] [12]}

El término “cierre” se refiere a la forma en que los oceanógrafos ópticos miden la consistencia de los modelos y las mediciones. Los modelos se refieren a todo lo que no se mide explícitamente en el agua, incluidas las variables derivadas de satélites que se estiman utilizando relaciones empíricas (por ejemplo, la concentración de clorofila-a derivada de satélites se estima a partir de las proporciones entre la reflectancia de teledetección verde y azul utilizando una relación empírica). El cierre incluye el cierre de las mediciones, el cierre de los modelos, el cierre de los datos de los modelos y el cierre de la escala. Cuando los experimentos de cierre de los datos de los modelos muestran una desalineación entre los datos y los modelos, la causa de la desalineación puede deberse a un error de medición , a problemas con el modelo, a ambos o a algún otro factor externo. ^{[13] [14]}

La óptica oceánica se ha aplicado para estudiar temas como la producción primaria , el fitoplancton , el zooplancton , ^{[15] [16]} los hábitats de aguas poco profundas como los lechos de pastos marinos y los arrecifes de coral , ^{[17] [18]} la biogeoquímica marina , ^[19] el calentamiento del océano superior, ^[20] y la exportación de carbono a aguas profundas a través de la bomba biológica oceánica . ^[21] La porción del espectro electromagnético generalmente involucrada en la óptica oceánica es ultravioleta a infrarrojo, aproximadamente de 300 nm a menos de 2000 nm de longitud de onda. ^[22]

Los sensores oceanográficos ópticos más utilizados son los sensores PAR , los sensores de fluorescencia de clorofila-a ( fluorómetros ) y los transmisómetros. Estos tres instrumentos se montan con frecuencia en muestreadores de roseta CTD (conductividad-temperatura-profundidad) . Estos instrumentos se han utilizado durante muchos años en rosetas CTD en estudios oceanográficos globales repetidos como la campaña CLIVAR GO-SHIP. ^{[23] [24]}

Los instrumentos ópticos se utilizan a menudo para medir el espectro de tamaño de las partículas en el océano. Por ejemplo, los organismos fitoplanctónicos pueden variar en tamaño desde unos pocos micrones (micrómetros, μm) hasta cientos de micrones. El tamaño de las partículas se mide a menudo para estimar la velocidad con la que se hundirán y, por lo tanto, la eficiencia con la que las plantas pueden secuestrar carbono en la bomba biológica del océano .

Los científicos estudian objetos diminutos individuales, como partículas de plancton y detritos, mediante citometría de flujo y sistemas de cámaras in situ. Los citómetros de flujo miden tamaños y toman fotografías de partículas individuales que fluyen a través de un sistema de tubos; uno de estos instrumentos es el Imaging FlowCytoBot (IFCB). ^[26] Los sistemas de cámaras in situ se despliegan sobre el costado de un buque de investigación, solos o conectados a otro equipo, y capturan fotografías del agua misma para obtener imágenes de las partículas presentes en el agua; uno de estos instrumentos es el Underwater Vision Profiler (UVP). ^[27] Otras tecnologías de imágenes utilizadas en el océano incluyen la holografía ^[28] y la velocimetría de imágenes de partículas (PIV), que utiliza secuencias de video en 3D para rastrear el movimiento de partículas submarinas. ^[29]

La investigación sobre óptica oceánica realizada “ in situ ” (desde buques de investigación , pequeñas embarcaciones o en muelles y embarcaderos) respalda la investigación que utiliza datos satelitales. Las mediciones ópticas in situ proporcionan una manera de: 1) calibrar sensores satelitales cuando recién comienzan a recopilar datos, 2) desarrollar algoritmos para derivar productos o variables como la concentración de clorofila-a y 3) validar productos de datos derivados de satélites. Usando datos satelitales, los investigadores estiman cosas como el tamaño de partículas, el carbono, la calidad del agua , la claridad del agua y el tipo de fondo en función del perfil de color visto por satélite; todas estas estimaciones (también conocidas como modelos) deben validarse comparándolas con mediciones ópticas realizadas in situ. ^[30] Los datos in situ a menudo están disponibles en bibliotecas de datos de acceso público como el archivo de datos SeaBASS .

Los oceanógrafos, físicos y otros científicos que han hecho contribuciones importantes al campo de la óptica oceánica incluyen (lista incompleta):

David Antoine, Marcel Babin, Paula Bontempi , Emmanuel Boss, Annick Bricaud, Kendall Carder, Ivona Cetinic, Edward Fry, Heidi Dierssen, David Doxaran, Gene Carl Feldman, Howard Gordon, Chuanmin Hu, Nils Gunnar Jerlov , George Kattawar, John Kirk, ZhongPing Lee, Hubert Loisel, Stéphane Maritorena, Michael Mishchenko, Curtis Mobley, Bruce Monger, André Morel, Michael Morris , Norm Nelson, Mary Jane Perry , Rudolph Preisendorfer, Louis Prieur, Chandrasekhara Raman, Collin Roesler , Rüdiger Röttgers, David Siegel, Raymond Smith, Heidi Sosik , Dariusz Stramski, Michael Twardowski, Talbot Waterman, Jeremy Werdell, Ken Voss , Charles Yentsch y Ronald Zaneveld.

Si bien la óptica oceánica es un campo de estudio interdisciplinario que se aplica a una amplia gama de temas, no suele enseñarse como asignatura en programas de posgrado de ciencias marinas y oceanografía. Se han desarrollado dos cursos de verano para estudiantes de posgrado de muchas instituciones diferentes. En primer lugar, existe una serie de conferencias de verano dirigidas por el Grupo Internacional de Coordinación del Color del Océano (IOCCG) que suele tener lugar en Francia. ^[31] En segundo lugar, existe un curso en curso en los Estados Unidos llamado “Clase de Oceanografía Óptica” o “Clase de Óptica Oceánica” en el estado de Washington y más tarde en Maine, que se ha estado dictando de forma continua desde 1985. ^[32]

Para el aprendizaje independiente, Curt Mobley, Collin Roesler y Emmanuel Boss escribieron el Ocean Optics Web Book como una guía en línea de acceso abierto.

Campos y temas relacionados:

• Óptica atmosférica
• Color del agua
• Espectro electromagnético
• Historia de la óptica
• Oceanografía
• Color del océano
• Profundidad óptica
• Color espectral
• Transparencia y translucidez
• Espectro visible
• Claridad del agua
• Teledetección del agua
• Calidad del agua

Propiedades ópticas inherentes y aparentes y métodos en agua:

• Absorción (radiación electromagnética)
• Argo (oceanografía)
• Coeficiente de atenuación
• Ley de Beer-Lambert
• Boya óptica marina
• Dispersión
• Disco Secchi

Métodos de teledetección y radiometría:

• Albedo
• Corrección atmosférica
• Ciencias de la Tierra de la NASA
• Espectrón

• Libro web sobre óptica oceánica ^{[1] [2]}