Respuesta del oxígeno disuelto y la temperatura en aguas de la plataforma interior al forzamiento local del viento.

Abstract

La variabilidad espacial y temporal del oxígeno disuelto es uno de los aspectos determinantes para la productividad del ecosistema marino costero y para las poblaciones humanas que dependen económicamente de los recursos. La condición de hipoxia en estos sistemas ocurre cuando el oxígeno disuelto se encuentra bajo el nivel necesario para sustentar la vida en un umbral de concentración <2,0 mg/L, equivalente a 62,5 μM y, aproximadamente, a un 30% de saturación de oxígeno. La literatura referente al oxígeno disuelto y a la condición de hipoxia se centra generalmente en procesos y efectos biológicos. Son menos los estudios que han intentado comprender los forzantes físicos que inducen la variabilidad del oxígeno disuelto en aguas de la plataforma interior. Aunque en Chile centro-sur (35°–39°S) es frecuente asociar bajos niveles de oxígeno disuelto con aguas frías de surgencia, la respuesta de ambas variables en el tiempo y el espacio a fluctuaciones del viento sinóptico aún no ha sido bien descrita. Considerando la eventual respuesta de la variabilidad del oxígeno disuelto y la temperatura al forzamiento del viento costero local, este estudio plantea la siguiente hipótesis: El arribo de aguas hipóxicas a la plataforma interior ocurre sólo cuando el viento favorable a la surgencia ha soplado por al menos dos días. Para responder a esta hipótesis se utilizaron series temporales de oxígeno disuelto y temperatura obtenidas desde seis anclajes instalados a baja profundidad en la plataforma interior de la costa de Chile central, frente a las localidades costeras de Mela, Dichato, Chome, Arauco, Llico y Yani. Como referente de la variabilidad estacional se utilizó la serie mensual hidrográfica Estación 18 (36°29,94’S; 73°8,57’W) ubicada en la plataforma intermedia (36°20’S; 73°44’W) en una profundidad cercana a -90 m. Registros de la dirección y velocidad del viento se obtuvieron de estaciones meteorológicas costeras en Dichato, Tomé, San Vicente, Punta Hualpén, Coronel y Lebu. El análisis fue complementado con datos hidrográficos provenientes de dos cruceros realizados en el Golfo de Arauco a fines de verano tardío (marzo 2019) y en invierno (junio 2018). Se analizó el viento costero, el oxígeno disuelto y la temperatura en las escalas diaria, sin óptica y estacional. Además, se determinó la respuesta del oxígeno disuelto y la temperatura al forzamiento del estrés del viento sin óptico, para determinar las caracteísticas (duración y magnitud) del viento generador de eventos hipóxicos. El viento registrado en las seis estaciones costeras en estudio mostró un eje de máxima varianza (EMV) orientado entre 3 y 344°, con respecto al norte geográfico. El EMV en las estaciones meteorológicas de Hualpén y Dichato representó sobre el 78% de la variabilidad total. En el dominio de la frecuencia el ciclo diurno fue significativo en la componente zonal y meridional, con esta última mostrando un mayor porcentaje de energía. Los espectros rotatorios del viento revelaron un máximo diurno relativo de mayor energía anti-horaria que horaria. El análisis de Funciones Ortogonales Empíricas (EOF) realizado a las seis estaciones meteorológicas mostró que el viento sin óptico (períodos >40 h) en el Modo 1 (PVE=38,1 %) se ajusta preferentemente a la línea de costa. Los análisis del viento costero permitieron seleccionar a la estación Punta Hualpén como la más representativa de la variabilidad del viento a lo largo de costa. Esta estación meteorológica fue utilizada para evaluar la respuesta del oxígeno y la temperatura de fondo al viento costero. Las series temporales de oxígeno disuelto de fondo mostraron que los anclajes desplegados en Mela, Coliumo, Chome y Arauco registraron concentraciones hipóxicas en el período primavera–verano, siendo este último (Arauco) el que exhibió hipoxia más persistente. Llico mostró un patrón similar a las estaciones anteriores pero con eventos de hipoxia más esporádicos y menos persistentes. Yani mostró concentraciones >5 mg/L durante la mayor parte del período analizado con temperaturas de fondo entre 12 y 15°C en invierno y <12°C en verano. En los 6 sitios analizados, el viento acumulado de 2 días generó la mayoría de los eventos hipóxicos, sólo Chome mostró un mayor porcentaje de eventos ocurridos con viento acumulado en 1 día (26 %). El estrés del viento acumulado promedio (N/m2) mostró que la mayor ocurrencia de eventos hipóxicos con viento soplando por dos días fue entre 1,0 y 1,1 N/m2. En relación a la duración de los eventos hipóxicos, Arauco mostró permanencia de agua con bajo oxígeno durante la gran mayoría del verano (diciembre, enero y febrero). Los cruceros hidrográficos en el golfo de Arauco (plataforma interior) mostraron que a fines de verano tardío el agua hipóxica se asoció a temperaturas de 11,8°C, salinidad de 34,6 y densidad de 26,33 Kg/m3. El área cubierta por la hipoxia de fondo fue de 1030 km2 (81% de la superficie total del Golfo de Arauco). En el invierno la hipoxia se relacionó con temperaturas de 12°C, salinidad entre 34,35 y 34,40 y densidad entre 26,0 y 26,2 Kg/m3. El área cubierta por la hipoxia de fondo fue de 879 km2 (69% de la superficie total del Golfo de Arauco). La plataforma intermedia mostró dos tipos de hipoxia: una fría durante la primavera bajo los 20 m y otra cálida durante el verano sobre los 15 m. Además, se observó la estacionalidad del agua hipóxica, ascendiendo en primavera–verano y descendiendo en otoño–invierno. Los patrones de variabilidad del oxígeno disuelto de fondo descritos en esta tesis contribuyen a comprender los regímenes de hipoxia en la zona costera de Chile centro–sur forzada por una surgencia estacional donde la intromisión de aguas con bajo contenido de oxígeno disuelto hacia la plataforma interior puede verse incrementando producto del aumento en la intensidad de los vientos generado por el cambio climático.

The spatial and temporal variability of dissolved oxygen is one of the determining aspects for the productivity of the coastal marine ecosystem and for the human populations that depend economically on the resources. The hypoxia condition in these systems occurs when dissolved oxygen is below the level necessary to support life at a threshold concentration <2,0 mg/L, equivalent to 62,5uM and approximately 30 percent oxygen saturation. The literature concerning dissolved oxygen and the hypoxic condition generally focuses on biological processes and effects. Fewer studies have attempted to understand the physical forcings that induce dissolved oxygen variability in inner shelf waters. Although in south-central Chile (35°–39°S) it is common to associate low dissolved oxygen waters with low temperature waters, the response of both variables in time and space to the effect of synoptic wind fluctuations has not yet been well described. Considering the eventual response of dissolved oxygen and temperature variability to local coastal wind forcing, this study hypothesizes that the arrival of hypoxic waters to the inner shelf occurs only when the upwind has been blowing for at least two days. To answer this hypothesis, time series of dissolved oxygen and temperature obtained from 6 shallow mooring systems installed on the inner shelf corresponding to the coastal localities of Mela, Dichato, Chome, Arauco, Llico and Yani were used. For seasonal variability, the monthly hydrographic series Station 18 (36°29,94’S; 73°8,57’W) located in the intermediate platform (36°20’S; 73°44’W) with a depth of approximately 90 m was used as a reference. Wind direction and speed records come from coastal weather stations located along the study area in Dichato, Tom´e, San Vicente, Punta Hualp´en, Coronel and Lebu. The analysis was complemented with hydrographic data from 2 cruises conducted in the Gulf of Arauco during late summer (March 2019) and winter (June 2018). Coastal wind, dissolved oxygen and temperature were analyzed at daily, synoptic and seasonal scales. In addition, the response of dissolved oxygen and temperature to cumulative synoptic wind stress forcing was determined to determine the characteristics (duration and magnitude) of the wind generating hypoxic events. The wind recorded at the six coastal stations under study showed an axis of maximum variance (MVA) oriented between 3,0 and 344,3°, with respect to the geographic north. The meteorological stations of Hualp´en and Dichato showed a MSE that represented over 78% of the total dispersion. On the other hand, at the Tom´e, San Vicente, Coronel and Lebu stations, the MSE represented percentages lower than 70 %, with an isotropic distribution of the data. In the frequency domain, the diurnal cycle was significant in the zonal and meridional component, the latter showed higher energy than the east-west wind (zonal component). The rotational spectra of the wind revealed a relative diurnal maximum of higher anti-clockwise energy than the hourly one. The Empirical Orthogonal Function (EOF) analysis performed on the 6 weather stations showed that the synoptic wind (periods >40 h) in Mode1 (PVE=38,09 %) is preferentially adjusted to the coastline. The coastal wind analysis allowed selecting the Punta Hualp´en station as the most representative of the wind variability along the coast. This meteorological station was used to evaluate the response of oxygen and bottom temperature to the coastal wind. The background dissolved oxygen time series showed that the anchorages deployed in Mela, Coliumo, Chome and Arauco registered hypoxic concentrations in the springsummer period, the latter (Arauco) being the one that exhibited hypoxia with the longest duration over time. The Llico locality showed a similar pattern to the stations described above, but with less permanent and less frequent hypoxia, which were observed as pulses in the time series. Yani showed a particular behavior with concentrations >5 mg/L during most of the period analyzed. The background temperature time series showed values between 12 and 15°C in the winter period and <12°C during the summer period. Considering the 6 sites analyzed, the accumulated wind of 2 days generated most of the hypoxic events, only Chome showed a higher percentage of events that occurred with accumulated wind in 1 day (26 %). The average cumulative wind stress (N/m2) showed that the highest occurrence of hypoxic events with wind blowing for 2 days was between 1,0 and 1,1 N/m2. Regarding the duration of the hypoxic events, Arauco showed permanence of water with low oxygen during most of the summer (December, January and February). Hydrographic surveys in the Gulf of Arauco (inner platform) showed that in late summer hypoxic water compared to temperatures of 11,8°C, salinity of 34,6 and density of 26,33 3. The area covered by the background hypoxia was 1030 m2. In winter, hypoxia was related to temperatures of 12°C, salinity between 34,35 and 34,40 and density between 26,0 and 26,2 3. The area covered by the background hypoxia was 879 km2. The intermediate platform showed 2 types of hypoxia: a cold one during spring below -20 m and another warm one during summer above-15 m. In addition, the seasonality of hypoxic water will be observed, upwelling in spring–summer and downwelling in autumn–winter. The variability patterns of background dissolved oxygen described in this thesis contribute to understanding the hypoxia regimes in the coastal zone of central-southern Chile forced by a seasonal upwelling where the intrusion of waters with low dissolved oxygen content towards the inner shelf can be seen increasing as a result of the increase in the intensity of the winds generated by climate change.