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Estudio de los aerosoles y los ecosistemas marinos del Atlántico Norte

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

El Estudio de los Aerosoles y Ecosistemas Marinos del Atlántico Norte ( NAAMES , por sus siglas en inglés) 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, que es el sitio de una de las floraciones recurrentes de fitoplancton más grandes de la Tierra. La larga historia de investigación en esta ubicación, así como la relativa facilidad de acceso, hicieron del Atlántico Norte un lugar ideal para probar las hipótesis científicas prevalecientes en un esfuerzo por comprender mejor el papel de las emisiones de aerosoles de fitoplancton en el presupuesto energético de la Tierra. [1]

NAAMES fue dirigido por científicos de la Universidad Estatal de Oregón y la Administración Nacional de Aeronáutica y del Espacio (NASA). Llevaron a cabo cuatro campañas de campo entre 2015 y 2018 que fueron diseñadas para centrarse en fases específicas del ciclo anual del fitoplancton: mínimo, clímax, biomasa intermedia decreciente y biomasa intermedia creciente. [1] Las campañas fueron diseñadas 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 floraciones. El proyecto NAAMES también investigó la cantidad, el tamaño y la composición de los aerosoles generados por la producción primaria con el fin de comprender cómo los ciclos de floración afectan las formaciones de nubes y el clima. [2] Los científicos emplearon múltiples métodos de investigación complementarios, incluido el muestreo de campo intensivo mediante barcos de investigación, el muestreo de aerosoles aéreos mediante aviones y la teledetección mediante satélites.

Los hallazgos de NAAMES, aunque aún están por llegar, han arrojado luz sobre los aerosoles y los núcleos de condensación de las 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] incluidos nuevos algoritmos de teledetección [14] [15] [16] y avances en teledetección por satélite. [17] [18]

Fondo

Hipótesis contrapuestas sobre las floraciones de plancton

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

NAAMES se propuso comprender mejor el impacto de las emisiones de bioaerosoles en la dinámica de las nubes y el clima. También se propuso poner a prueba dos hipótesis opuestas sobre las floraciones de plancton:

Hipótesis de profundidad crítica: una visión basada en recursos[20]

La hipótesis de la profundidad crítica es una visión basada en los recursos de las floraciones anuales de fitoplancton del 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 la concentración elevada de nutrientes, una mezcla más superficial, un aumento de la luz y temperaturas más cálidas.

El argumento central de la hipótesis de la profundidad crítica es que las floraciones son una consecuencia del aumento de las tasas de crecimiento del fitoplancton resultantes del achique de la capa mixta por encima de la profundidad crítica. La profundidad crítica es una profundidad de mezcla superficial donde el crecimiento de la biomasa del fitoplancton es igual a las pérdidas de biomasa del fitoplancton. En esta hipótesis, las pérdidas son constantes e independientes del crecimiento. La disminución de la biomasa puede deberse al pastoreo , hundimiento, dilución, mezcla vertical, infección o parasitismo . Cuando la capa mixta superficial se vuelve más superficial que la profundidad crítica, se inicia la floración estacional debido a que el crecimiento del fitoplancton supera la pérdida. Existe una correlación del crecimiento del fitoplancton con los aumentos primaverales de la luz, la temperatura y las profundidades de estratificación más superficiales .

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

Hipótesis de dilución-reacoplamiento: una visión basada en los ecosistemas[21]

La hipótesis de la dilución-reacoplamiento es una visión ecosistémica de la floración anual del fitoplancton en el Atlántico Norte. Esta hipótesis se centra en los procesos físicos que alteran el equilibrio entre el crecimiento y el pastoreo. La floración primaveral se considera una característica de un ciclo anual, y otras características durante el ciclo “preparan el terreno” para que se produzca esta floración.

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 se pueden mantener 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 de la tasa de crecimiento se hace evidente, pero ahora el crecimiento y el pastoreo vuelven a acoplarse. La reducción de la capa mixta concentra a los depredadores, lo que aumenta la presión de pastoreo. Sin embargo, el aumento de la disponibilidad de luz contrarresta la presión de pastoreo, lo que permite que las tasas de crecimiento se mantengan altas. A fines de la primavera, cuando la capa mixta es aún más superficial, el agotamiento de nutrientes o el pastoreo excesivo 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 la profundización de la capa de mezcla. La supresión de la mezcla invernal disminuiría la biomasa del fitoplancton según esta hipótesis. [21]

Procesos oceanográficos físicos

Profundidad de la capa mixtaDebate

Remolinos de mesoescala

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

Las corrientes de rápido movimiento 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 proceden (por ejemplo, temperatura, densidad, salinidad y otras propiedades dinámicas del océano) cuando se separan. A medida que los remolinos migran, sus propiedades físicas cambian a medida que se mezclan 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 el sentido contrario). [22] Los dos remolinos difieren en movimiento, propiedades físicas y, en consecuencia, 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 un "bulto", es decir, una gran altura de la superficie del mar (SSH) en el centro de los remolinos anticiclónicos. Por el contrario, los remolinos ciclónicos muestran una SSH baja en el centro. La SSH tanto en los anticiclónicos como en los ciclónicos disminuye y aumenta, respectivamente, a medida que aumenta la distancia desde el centro. [23] Los procesos de afloramiento y hundimiento en los remolinos crean un núcleo frío y uno 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, el afloramiento arrastra agua fría profunda y forma un núcleo frío. [25]

Estudios previos muestran los efectos de profundización de la MLD bajo remolinos anticiclónicos y el achique 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 provoca el hundimiento de agua densa, conocido como mezcla convectiva [28] , y la profundización de la MLD. Por el contrario, en 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. Los estudios realizados en la región a través de una red de flotadores Argo y simulaciones de modelos creadas a través de datos satelitales han mostrado casos de los fenómenos opuestos. La profundización y el achique de la MLD a través de remolinos es omnipresente y varía estacionalmente. [22] Estas anomalías son más significativas en el invierno. Por lo tanto, el papel de los remolinos de mesoescala en la MLD es complejo y es una función de procesos simultáneos donde las corrientes inducidas por la cizalladura del viento contribuyen a un debilitamiento de la MLD en los remolinos anticiclónicos. [23]

Procesos atmosféricos relevantes

Capa límite marina

La capa límite marina (MBL) es la parte de la atmósfera en contacto directo con la superficie del océano. La MBL está influenciada por el intercambio de calor, humedad, gases, partículas y momento, principalmente a través de la turbulencia. [29] La MBL se caracteriza por la formación de células convectivas (o flujo vertical de aire) sobre la superficie del océano, lo que perturba la dirección del viento superficial medio y genera 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 conoce como la capa límite convectiva (CBL). 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 a través de la interpretación de los perfiles verticales de humedad y temperatura. [30] La MBL es a menudo un fenómeno localizado y temporalmente dinámico, y por lo tanto su altura en la columna de aire puede variar considerablemente de una región a otra, o incluso en el lapso de unos pocos días. El Atlántico Norte es una región donde se forman comúnmente nubes MBL diversas y bien formadas, [31] y donde la altura de la capa MBL puede estar entre 2,0 y 0,1 km de altura [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 regiones 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 por los aportes terrestres naturales y antropogénicos. Relevantes para NAAMES son las emisiones de los entornos industriales y urbanos en el este de América del Norte, que emiten cantidades sustanciales de sulfatos, carbono negro y compuestos aromáticos. Estas sustancias pueden transportarse cientos de kilómetros sobre el mar. Esta contribución de las influencias continentales puede crear una señal positiva falsa 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, los aerosoles como el carbono negro mezclado con dióxido de carbono y otros gases de efecto invernadero se emiten a través de la combustión imparcial de combustibles fósiles de los motores de los barcos. Estos hidrocarburos no quemados están presentes en la capa límite marina del Atlántico Norte y 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 las propiedades microfísicas y químicas al reaccionar con otras partículas en el aire.

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 o gotitas líquidas muy pequeñas suspendidas en la atmósfera o dentro de otro gas y se forman a través de procesos naturales o por acciones humanas. [36] [37] Los aerosoles naturales incluyen cenizas volcánicas, partículas biológicas y polvo mineral, así como carbono negro de la combustión natural de biomasa, como incendios forestales. Los aerosoles antropogénicos son aquellos que han sido emitidos por acciones humanas, como la quema de combustibles fósiles o emisiones industriales. Los aerosoles se clasifican como primarios o secundarios dependiendo de si han sido emitidos directamente a la atmósfera (primarios) o si han reaccionado y cambiado de composición (secundarios) después de ser emitidos desde su fuente. Los aerosoles emitidos desde el medio marino son uno de los componentes más grandes de los aerosoles naturales primarios. 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 primer efecto indirecto de los aerosoles sobre el albedo de las nubes y por tanto sobre el balance radiativo de la Tierra. [39]

Uno de los componentes más significativos, aunque 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 se produce cuando las partículas de aerosol se dispersan, absorben o exhiben una combinación de estas dos propiedades ópticas al interactuar con la radiación solar e infrarroja entrante en la atmósfera. [41] Los aerosoles que normalmente dispersan la luz incluyen sulfatos, nitratos y algunas partículas orgánicas, mientras que los que tienden a exhibir una absorción neta incluyen polvo mineral y carbono negro (u 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 entrante o una capacidad inhibida de las nubes para desarrollar precipitaciones. [42] El primer efecto indirecto es un aumento en la cantidad de gotas de agua, lo que conduce 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 de la nube) es el aumento en el número de gotas, que simultáneamente causa un aumento en el tamaño de las gotas y, por lo tanto, menos potencial de precipitación. Es decir, gotas más pequeñas significan que las nubes viven más tiempo y retienen un mayor contenido de agua líquida, lo que se asocia con menores tasas de precipitación y un mayor albedo de las nubes . [43] Esto resalta la importancia del tamaño de los aerosoles como uno de los determinantes principales de la cantidad de aerosoles 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 de menos 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 de núcleos por condensación) son 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 otra parte, las partículas gruesas, como las antiguas salpicaduras marinas 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 exhiben diferentes propiedades microfísicas y, por lo tanto, sus mecanismos de eliminación del aire dependerán de la humedad. [44] Sin una mejor comprensión de los tamaños 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 de la atmósfera al forzamiento radiativo de la Tierra. Esta es la Figura 8.17 del informe de Evaluación de Impacto de la Tierra del Grupo de Trabajo 1 (AR5) del Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC) [45]. Obsérvese el efecto neto de enfriamiento de los sulfatos.

Aerosoles marinos

Aunque la cantidad y composición de las partículas de aerosol en la atmósfera marina se originan tanto en fuentes continentales como oceánicas y pueden ser transportadas a grandes distancias, los aerosoles de sal marina recién emitidos (SSA) constituyen una de las principales fuentes de aerosoles primarios, especialmente de vientos moderados y fuertes. [46] Se estima que la emisión global de aerosoles de sal marina pura es del orden de 2.000-10.000 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 suben a la atmósfera y estallan en cientos de gotitas ultrafinas que varían de 0,1 a 1,0 μm de diámetro. [38] Los aerosoles de sal marina 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 sulfuro de dimetilo (DMS). [38] Este compuesto juega un papel clave en el proyecto NAAMES.

Una consecuencia biogeoquímica importante de la SSA es su papel como núcleos de condensación de nubes . Se trata de 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 entornos más cálidos y secos que donde se formarían de otra manera, [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 importante papel 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). En este crucero de investigación se midieron las áreas limpias o de fondo y se encontró que estaban compuestas principalmente de 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, más la incapacidad de determinar la fuente exacta de estas partículas, justifica la necesidad científica de una mejor comprensión de los aerosoles sobre 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 biológicas primarias de aerosoles (PBAP) contienen una variedad de materiales biológicos, incluidas bacterias, arqueas, algas y hongos, y se ha estimado que comprenden hasta el 25% de la masa total global de aerosoles. [38] La dispersión de estas PBAP se produce mediante emisión directa a la atmósfera a través de 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 de relevancia para NAAMES son los tamaños transitorios de las esporas de hongos (0,05 a 0,15 μm de diámetro) y tamaños más grandes (0,1 a 4 μm) para las bacterias. [38] Se ha estimado que los aerosoles orgánicos marinos (AO) a través de su correlación con los pigmentos de clorofila varían en magnitud entre 2 y 100 Tg por año. [50] Sin embargo, estudios recientes de AO están correlacionados con la producción de DMS y, en menor medida, de clorofila, lo que sugiere que el material orgánico en los aerosoles de sal marina está conectado a 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 algunas evidencias de que los bioaerosoles marinos que contienen cianobacterias y microalgas pueden ser perjudiciales 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 ser aerosolizadas, 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 las 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 . Varios investigadores han encontrado estas microcistinas en aerosoles, [59] [60] y se ha implicado a dichos aerosoles 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 4 km tierra adentro, [64] pero los investigadores recomiendan estudios adicionales que rastreen el destino de los bioaerosoles más tierra adentro. [57]

Se ha considerado 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 impactar en el balance radiativo en regiones oceánicas remotas, como el Océano Atlántico Norte. [65]

Además de los aerosoles de la espuma marina (véase la sección anterior), los aerosoles biogénicos producidos por el fitoplancton también son una fuente importante de partículas pequeñas (normalmente de 0,2 μm) de núcleos de condensación de nubes (CCN) suspendidas en la atmósfera. El Grupo Intergubernamental de Expertos sobre el Cambio Climático (IPCC) pronosticó un aumento de las temperaturas superficiales de los océanos a nivel mundial de entre +1,3 y +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 de radiación global

Los aerosoles marinos contribuyen significativamente a la formación de aerosoles globales. Tradicionalmente, el ciclo biogeoquímico y la modelización climática se han centrado en los aerosoles de sal marina, con 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 la 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 en un 63% de la masa de aerosoles en la atmósfera, mientras que durante los períodos invernales de baja actividad biológica sólo representó el 15% de la masa de aerosoles. Esos datos proporcionaron evidencia empírica temprana de este fenómeno de emisión, al tiempo que también mostraron que la materia orgánica de la biota oceánica puede aumentar las concentraciones de gotitas en las nubes hasta en un 100%. [50]

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

Datos para probar la hipótesis CLAW

Cada vez hay más pruebas que describen cómo el fitoplancton oceánico afecta al albedo de las nubes y al clima a través del ciclo biogeoquímico del azufre , como se propuso originalmente a fines 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 de nubes global 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, se liberan aerosoles en la capa límite planetaria . Un porcentaje de estos aerosoles se asimila en las nubes, que luego pueden generar un ciclo 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 generaría un ciclo de retroalimentación positiva, en el que los océanos más cálidos generarían menos nubes, lo que 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 sulfuro de dimetilo (DMS), ha sido identificado como un compuesto volátil de azufre importante 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 apoya 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 de la superficie 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. Se concentran en geles de tamaño nanométrico en la superficie de los océanos. Específicamente, dichos compuestos se concentran en la microcapa de la superficie del mar (SML), la película de agua más superior en el 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 lugar de la Tierra, y esta delgada capa experimenta la primera exposición a cambios climáticos como el calor, los gases traza, los vientos, las precipitaciones y también los desechos como los nanomateriales y los plásticos. La SML también tiene papeles importantes en el intercambio de gases aire-mar y la producción de aerosoles orgánicos primarios. [71]

Un estudio que utilizó muestras de agua y condiciones ambientales del Océano Atlántico Norte descubrió 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 del tamaño del transporte primario del mar al aire de material biogénico. [70] Estos materiales son lo suficientemente pequeños (0,2 μm) para ser emitidos en gran parte por el fitoplancton y otros microorganismos. [70] Sin embargo, predecir la cantidad, la distribución del 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 las técnicas de detección de fluorescencia que pueden detectar proteínas en aerosoles. [70] NAAMES llenó este vacío de investigación al proporcionar un instrumento basado en fluorescencia (ver la sección sobre instrumentos atmosféricos a continuación), tanto en la columna de aire como cerca de la superficie del mar.

Objetivos de NAAMES

Para lograr este objetivo, se utilizó una combinación de mediciones desde barcos, desde el aire y mediante 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 para obtener una visión integral.

Este objetivo busca conciliar las hipótesis opuestas 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 de floración anual.

Los efectos de los aerosoles en las nubes son un tema poco estudiado a pesar de las importantes implicaciones que podrían tener para predecir el cambio climático futuro. Este objetivo abordó esta brecha mediante el uso de métodos de medición combinados para comprender la contribución de varios 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 buques y teledetección desde aeronaves. También se describen procesos clave, como los auges del fitoplancton y la emisión y dispersión de aerosoles.

Se llevaron a cabo cuatro campañas de campo para identificar 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 de clímax y fase de agotamiento. [1]

Área de estudio de NAAMES que muestra las rutas de los buques de investigación y el despliegue de flotadores autónomos de perfilado. Imagen cortesía de la NASA.

Muestreo

Cruceros de investigación en el R/V Atlantis

Los instrumentos instalados en los barcos midieron los gases, las partículas y los compuestos orgánicos volátiles que se encuentran sobre la superficie del océano. También se recogieron muestras de agua para describir la composición de la comunidad planctónica, las tasas de productividad y respiración, y el estrés fisiológico.  

Las cuatro campañas siguieron un plan de vuelo y de barco similar. El R/V Atlantis partió de Woods Hole, Massachusetts , para embarcarse en cruceros de 26 días que cubrieron 4700 millas náuticas. El barco navegó primero hasta 40 W. Luego se movió hacia el norte desde 40 N hasta 55 N de latitud a lo largo del paralelo de longitud 40 W. Este intenso transecto sur-norte implicó múltiples mediciones estacionarias. Luego, el barco regresó al puerto de Woods Hole. [1]

El muestreo en movimiento (es decir, mientras el barco estaba en movimiento) 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 comienzo del área del transecto triangular, el barco se detuvo dos veces al día al amanecer y al mediodía para realizar mediciones estacionarias para recolectar muestras de agua para la incubación (por ejemplo, respiración) y realizar muestreos de columnas de agua y mediciones ópticas. [1]

Los científicos también utilizaron flotadores autónomos ARGO en tres lugares durante cada crucero. Estos instrumentos flotantes autónomos midieron parámetros como la clorofila (una medida de la abundancia de fitoplancton), la intensidad de la luz, la temperatura, la densidad del agua y las partículas en suspensión. Se desplegaron un total de 12 instrumentos autónomos durante los cuatro cruceros.

Muestreo aéreo

Las mediciones desde aviones se diseñaron para que se ejecutaran exactamente al mismo tiempo que los cruceros de los buques de investigación, de modo que los científicos pudieran vincular los procesos a nivel del océano con los de la atmósfera inferior. También se sintetizaron datos satelitales para crear una comprensión más completa de la dinámica del plancton y los aerosoles, y su posible impacto en el clima y los ecosistemas.

El muestreo aéreo se realizó en un C-130 equipado con instrumentos científicos sensibles. La tripulación de vuelo con base en St. John's, Canadá , realizó vuelos de 10 horas en un "patrón Z" sobre el área de estudio. [1] Los vuelos se realizaron tanto a gran altitud como a baja altitud para medir las alturas 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 adquirir 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 en las nubes. [1]

Observaciones satelitales

Se utilizaron mediciones satelitales casi en tiempo real para ayudar a guiar el movimiento de los barcos y la planificación del vuelo. 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 autónomos ARGO

Se desplegaron instrumentos autónomos in situ llamados flotadores Argo para recopilar propiedades físicas y mediciones bioópticas. Los flotadores Argo son un instrumento alimentado por batería que utiliza hidráulica para controlar su flotabilidad para descender y ascender en el agua. Los flotadores Argo recopilan tanto las propiedades biológicas como físicas del océano. Los datos recopilados por los flotadores se transmiten de forma remota a través del satélite ARGOS .

Instrumentos atmosféricos

Los instrumentos que se utilizan para caracterizar los procesos en la atmósfera se pueden dividir en aquellos que miden la composición de los gases y aquellos que miden la composición de las propiedades ópticas. En general, 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 habitualmente 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]

Los flotadores autónomos ARGOS recopilan mediciones de conductividad, temperatura y profundidad (CTD). Ajustan 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. Por el contrario, la absorción de la luz de los aerosoles se puede medir utilizando varios tipos de instrumentos, como el fotómetro de absorción de partículas de hollín (PSAP) y el fotómetro de absorción de luz continua (CLAP). En ambos instrumentos, las partículas se recogen en un filtro y la transmisión de luz a través del filtro se controla de forma continua. Este método se basa en la técnica de 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 utilizando la ley de Beer-Lambert. [73]

Uno de los instrumentos utilizados para caracterizar la cantidad y composición de los bioaerosoles fue el Wideband Integrated Bioaerosol Sensors (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 destellos de gas xenón es capaz de detectar el tamaño y la forma de las partículas utilizando bandas de ondas ultravioleta de alta precisión (280 nm y 370 nm). [32]

Hallazgos científicos

Resultados

Algunos de los resultados de las investigaciones 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 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 diferentes etapas del ciclo estacional permite predecir mejor los cambios futuros en el océano. [7] Una publicación de NAAMES encontró que la profundidad de la capa mixta en invierno estaba correlacionada positivamente con las concentraciones de clorofila en primavera en el mar de Labrador . Las pérdidas por hundimiento durante el invierno se compensaron con el crecimiento neto del fitoplancton, y este crecimiento neto en invierno probablemente fue 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 se basen en la luz como un factor principal que controla la dinámica de la floración. Además, una mejor comprensión de la fisiología impulsada por la luz del fitoplancton puede ayudar a obtener mejores lecturas de los datos satelitales sobre las concentraciones de clorofila y la 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 una mezcla profunda y reestratificación en el océano Atlántico subártico . Hubo diferencias significativas en la fotoaclimatación y la acumulación de biomasa a varias profundidades de intensidad de luz durante el evento de tormenta. [8]

Biología de 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. En concreto, se parametrizó y modeló por primera vez el impacto de la migración vertical del zooplancton en la exportación de carbono a las profundidades marinas a través de la bomba biológica . [74]

Aerosoles y núcleos de condensación de nubes

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

Como resultado de la campaña NAAMES, se descubrió una clara diferencia estacional en la cantidad de aerosoles de sulfato biogénico en el Atlántico Norte. [75] Estos aerosoles se rastrearon hasta dos orígenes biogénicos diferentes, ambos marinos debido a la falta de influencias de la masa de aire continental durante el período de estudio. El origen biogénico fue la producción de sulfuro de dimetilo (DMS) por el 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 agregado", que eran aerosoles existentes en la atmósfera donde se incorporó el 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 agregado representó el 32% de 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 técnicas tradicionales de incubación de isótopos de carbono-14. [11] Otros investigadores de NAAMES emplearon nuevas técnicas para medir la distribución del tamaño de partículas , que es una métrica importante de la biogeoquímica y la dinámica de los ecosistemas. Al acoplar un medidor de tamaño de partículas por difracción láser sumergible con un sistema de agua de mar de flujo continuo, los científicos pudieron medir con precisión la distribución del tamaño de partículas tan bien como los métodos más establecidos (pero que requieren más 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 las nubes. Una sonda montada en una aeronave utilizó la separación inercial para recolectar gotitas de nubes de la atmósfera. Se informó que su técnica de ciclón axial recolectaba agua de nubes a una velocidad de 4,5 ml por minuto, que se almacenaba y luego 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 simulador aéreo de eventos de contaminación atmosférica y costera geoestacionaria hiperespectral (GCAS) utilizando enfoques vicarios [14] y 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 barrido de investigación se correlacionaba bien con las mediciones directas de la sonda de gotas de las nubes y el 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 teledetección oceánica con LIDAR satelital

El equipo NAAMES realizó avances en el uso de LIDAR en oceanografía. Por ejemplo, Behrenfeld et al. (2017) demostraron que el LIDAR basado en el espacio podía capturar ciclos anuales de dinámica de fitoplancton en regiones situadas hacia los polos a partir de la latitud 45. Utilizando estas nuevas técnicas, descubrieron que la biomasa de fitoplancton antártico cambia principalmente debido a la cubierta de hielo, mientras que en el Ártico los cambios en el fitoplancton son impulsados ​​principalmente por procesos ecológicos. [17] En otro artículo, el equipo describió nuevos avances en técnicas LIDAR satelitales y argumentó que una nueva era de LIDAR basado en el espacio tiene el potencial de revolucionar la teledetección oceanográfica. [18]

Implicaciones futuras

NAAMES proporcionó datos innovadores sobre los aerosoles y su relación con numerosos ecosistemas y parámetros oceanográficos. Sus descubrimientos e innovaciones metodológicas pueden ser utilizados por los modeladores para determinar cómo los futuros cambios en los ecosistemas oceánicos podrían afectar el clima. [1]

Datos de NAAMES

Las versiones finalizadas de los datos de campo se pueden ver a través de los Centros de Archivo Activo Distribuido (DAAC) de la NASA. Los datos de cada campaña de crucero se almacenaron como proyectos separados y la información de cada campaña se publicó en el plazo de un año desde la recopilación de las mediciones. La información proveniente de los barcos se puede ver a través del Sistema de Archivo y Almacenamiento Bioóptico SeaWiFS (SeaBASS), mientras que la información proveniente de aeronaves se puede ver a través del Centro de Datos de Ciencias Atmosféricas (ASDC). 

NAAMES prevé que en los próximos años se lanzarán muchas publicaciones adicionales a partir de la investigación y el procesamiento de datos en curso.

Véase también


Referencias

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