La tesi de Pedro J. Vélez confirma la validesa d’un model matemàtic per calcular indirectament la velocitat vertical de l’aigua associada a processos oceànics que estimulen la productivitat primària

Introducció La tesi del doctor Pedro Joaquín Vélez, defensada el passat dia 26 d’abril a la UIB amb el títol “Vertical velocities at an ocean front”, s’emmarca dins el procés iniciat fa pocs anys en oceanografia física que ha conduït a un canvi d’enfocament i metodològic en l’estudi dels processos oceanogràfics. Fins fa poc temps els investigadors solien obtenir una descripció hidrogràfica d’una determinada zona, amb dades sobre la circulació general sempre basades en el concepte de massa d’aigua, i el paràmetre més comú era la velocitat geostròfica d’aquesta. Cal advertir que quan hom parla de circulació i/o velocitat geostròfica es refereix a un model, basat en el càlcul matemàtic, que explica la realitat.

2 Fa poc més d’una dècada l’enfocament, però, ha variat i l’estudi de la circulació hidrogràfica d’una zona determinada se sustenta en l’obtenció de les seves dues components: geostròfica i ageostròfica. Això vol dir que a més de la velocitat proporcionada pel model matemàtic, els investigadors obtenen un valor, el de la velocitat ageostròfica, que els indica la desviació respecte a les dades objectives mesurades. També s’analitzen els processos hidrodinàmics subjacents. Les variables hidrodinàmiques que incorporen aquests tipus d’anàlisis són de càlcul molt complicat (per exemple, les de la vorticitat o la de la velocitat vertical). La tesi del doctor Pedro Joaquín Vélez s’ha centrat en el diagnòstic de processos de mesoescala, això és, aquells que afecten superfícies d'entre 10 i 100 km, i en l'escala temporal, períodes de setmanes o mesos. També es defineixen aquestes estructures com aquelles que estan afectades per un radi de deformació de Rossby. L’interès en l’estudi d’aquests processos de mesoescala rau en el fet que sovint generen una intensa circulació tridimensional, estimulant la producció biològica. Això ha fet que l’estudi d’aquestes estructures sigui de cada vegada més abordat per equips multidisciplinaris: físics, oceanògrafs, químics, biòlegs, etc. Més en concret, la velocitat vertical associada a aquest tipus de processos és una variable d’importància cabdal per entendre el transport de nutrients a través de la columna d’aigua des d’aigües profundes fins a la capa eufòtica (aquella en què és possible la fotosíntesi per part del fitoplàncton), i per tant per a l’estudi de processos biogeoquímics de primer ordre, com ara la producció primària de segons quines zones de l’oceà.

3 El mar d’Alborán, un laboratori per a la recerca La producció primària a la mar d’Alborán està parcialment associada a la circulació de les masses d’aigua, concretament als anomenats processos de mesoescala, que són originats a la zona per la confluència de dues masses d’aigua: les atlàntiques, que flueixen en superfície a través de l’estret de Gibraltar, i les mediterrànies, més denses, ubicades a més profunditat i que s’adrecen cap a l’oest. A través de l’estret de Gibraltar arriba a la mar d’Alborán, una massa d’aigua atlàntica que ocupa els primers 200 metres (Atlantic Surface Water, ASW). Es tracta d’una aigua de menys salinitat i menys densitat que la mediterrània, i la massa entrant va augmentant de contingut en sals a mesura que viatja cap a l’est i es mescla amb l’aigua del Mediterrani. Així es forma l’anomenada aigua atlàntica modificada (Modified Atlantic Water, MAW). És precisament aquesta aigua atlàntica modificada la que provoca dos girs anticiclònics. Per què? El corrent d’aigua menys dens situa el seu nivell per damunt de l’aigua més densa mediterrània i s’origina una zona d’alta pressió a l’interior del fluid. El fluid estarà sotmès, per tant, a un força bàrica que fa que vulgui fugir d'una àrea d'alta pressió. De fet ho faria si no actuàs sobre la massa d’aigua l’acceleració de Coriolis (deguda a la rotació del planeta), que la desvia cap a la dreta (si és a l’hemisferi nord). Per això el remolí anticiclònic girarà en el sentit de les busques d’un rellotge.

Figura1. Temperatura superficial al mar de Alborán el dia 5 de Octubre de 1996. El Gir Occidental d’Alborán (Western Alboran Gyre, WAG), el Gir Oriental d’Alborán (Eastern Alboran Gyre, EAG), i el Front d’Almeria-Orà (Almeria-Oran Front, AOF són claramente visibles. L’escala de colors (dreta) indica la temperatura, augmentant aquesta des dels tons blaus als vermells.

4 Els dos remolins anticiclònics que es fan a l’entrada de l’aigua atlàntica modificada són l’anomenat gir occidental d’Alborán (Western Alboran Gyre, WAG) i el gir oriental d’Alborán (Eastern Alboran Gyre, EAG). A més, part d’aquesta aigua conforma un front geostròfic que continua la seva cursa cap a l’est; el front d’Almeria-Orà (AlmeriaOran Front, AOF). Vegeu Figura 1. Mentre l’aigua atlàntica entra i, com hem vist, provoca processos de mesoescala anticiclònics, l’aigua mediterrània, molt més densa, avança cap a l’oest. En realitat hi ha dos corrents mediterranis que travessen l’estret de Gibraltar. Per una banda, l’anomenada aigua llevantina intermèdia (Levantine Intermediate Water, LIW) abandona la conca entre els 200 i els 600 m, i en segon lloc, l’aigua mediterrània occidental profunda (Western Mediterranean Deep Water, WMDW), entre 600 m i el fons. La primera és molt salina i s’origina a la conca oriental mediterrània per després viatjar cap a l’oest a través de canal de Sicília. La segona, molt freda, es forma al golf de Lleó i viatja fins a Alborán paral·lela a la costa de la península Ibèrica. Aquests girs anticiclònics estan directament relacionats amb l’aportació de nutrients a les aigües superficials des de zones més profundes. Aquesta aportació de nutrients té un gran impacte biològic, de manera que provoca un gran augment de la producció primària a la zona. De fet, el mar d’Alborán, com ja hem dit, és una de les zones amb més elevada producció primària del Mediterrani occidental, un mar caracteritzat per la seva oligotròfia. El càlcul de la velocitat vertical L’objectiu essencial de la tesi era metodològic. El propòsit era l’estimació de velocitats verticals associades a estructures de mesoescala, atenent la seva evolució temporal. Per conèixer la velocitat vertical d’una massa d’aigua que ascendeix des de les profunditats com a conseqüència d’estructures anticiclòniques com les esmentades d’Alborán, els oceanògrafs poden mesurar el paràmetre in situ, en campanyes oceanogràfiques (mitjançant boies lagrangianes), però resulta molt complicat i costós, per la qual cosa no és un mètode emprat comunament. També ho poden fer indirectament. En aquest cas, la velocitat vertical es calcula mitjançant una equació de balanç, l’anomenada equació omega (en la seva formulació amb el vector Q). El càlcul de variables a partir d’altres variables té els seus riscs. Amb la derivació augmenta la possibilitat d’augmentar els errors si la presa de dades inicial sobre la qual es fa el càlcul no es fa de manera òptima. En oceanografia física, com en meteorologia, hi ha molts paràmetres que es calculen d’aquesta manera: com a segones o terceres derivades d’altres variables que sí que han estat observades i mesurades. Aquest és el cas de la velocitat vertical, el càlcul de la qual se sustenta sobre una variable observada: l’altura dinàmica.

5 El nou enfocament metodològic en oceanografia rau en la presa de consciència de la necessitat d’establir marges d’errada fiables quan s’estimen aquest tipus de variables derivades. De fet, tan important és donar el resultat d’una d’aquestes variables com estimar l’errada associada. El primer objectiu de la tesi era, doncs, la comparació d’ambdós mètodes de càlcul, amb l’objecte de validar el mètode indirecte. I per fer-ho el doctor Pedro J. Vélez acudí a les estructures de mesoescala que s’originen al mar d’Alborán. La recollida de dades es féu en quatre campanyes oceanogràfiques d’alta resolució realitzades de manera consecutiva durant la tardor de 1996. L’investigador va obtenir valors de velocitats verticals aplicant dues tècniques distintes: la ja esmentada equació quasigeostròfica omega en la seva formulació amb el vector Q i un filtratge digital aplicat als camps de densitat assimilats en un model d’equacions primitives. Els dos models donaren valors de velocitat vertical associada als fenòmens de mesoescala estudiats d’uns –100 m/dia i uns 60 m/dia (moviments descendents i ascendents de la columna d’aigua). El resultat més significatiu de la recerca consisteix en la confirmació que l’equació omega en la seva formulació amb el vector Q permet determinar correctament, a partir de valors dels camps de densitat, l’ordre de magnitud i el signe de la velocitat vertical, així com les escales espacials i temporals que caracteritzen les zones d’aflorament. No obstant l’anterior, les magnituds derivades a partir de la velocitat vertical, com és ara els fluxos biogeoquímics, han de ser interpretades amb molta cura, ja que la incertesa deguda a la contaminació que produeixen les escales espaciotemporals o resoltes pot ser crítica.

El càlcul dels fluxos biogeoquímics Conèixer mitjançant un model de càlcul la velocitat vertical associada a aquests processos de mesoescala és essencial, ja que se’n pot inferir informació sobre els fluxos biogeoquímics i el balanç global de CO2. En efecte, els oceans són essencials en el cicle global del carboni, ja que intercanvien carboni amb l’atmosfera i n’absorbeixen una quantitat important: entre el 35 i el 50% del diòxid de carboni d’origen atropogènic. A banda de la solubilitat del carboni i dels processos físics d’absorció, l’anomenada bomba biològica oceànica consisteix en el transport del carboni a través de la cadena tròfica. El carboni és assimilat pel fitoplàncton a través de la fotosíntesi. Aquests productors primaris alimenten la resta d’organismes i el carboni acaba als fons marins remineralitzant-se. Aquest carboni

6 inorgànic pot, però, tornar a ascendir fins a la capa superficial i s’incorpora de nou a la cadena tròfica. Tots aquests processos, enfonsament i aflorament del carboni, depenen dels moviments de les masses d’aigua. La tesi del doctor Vélez, centrada en el mar d’Alborán, on la productivitat primària és elevada precisament per l’existència de fenòmens d’aflorament de carboni i nutrients associats a estructures anticiclòniques, ha comprovat la validesa d’un model matemàtic per al càlcul de la velocitat d’ascensió i/o descens de l’aigua en aquestes estructures. La recerca, però, ha detectat que els valors de determinades variables relacionades amb els fluxos biogeoquímics calculades sobre la base d’aquesta velocitat vertical tenen un grau d’incertesa molt elevat.

Referència de la tesi Títol: Vertical velocities at an ocean front Autor: Pedro Joaquín Vélez Belchi Director: doctor Joaquim Tintoré Departament de Física Membres del tribunal Dr. Jordi Font Ferré, Institut de Ciències del Mar de Barcelona Dr. Damià Gomis Bosch, Universitat de les Illes Balears Dr. Manuel Vargas Yáñez, Centre Oceanogràfic de Màlaga - Institut Espanyol d’Oceanografia Dr. Javier Ruiz, Institut de Ciències Marines d’Andalusia Dr. Raúl Medina Santamaría Qualificació Excel·lent cum laude