LECCIÓN 3 OCÉANO Y SEDIMENTOS: EL REGISTRO DE LA PRODUCCIÓN MARINA El hecho de que el océano es frío, con una capa superficial cálida, tiene importantes.

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1 LECCIÓN 3 OCÉANO Y SEDIMENTOS: EL REGISTRO DE LA PRODUCCIÓN MARINA El hecho de que el océano es frío, con una capa superficial cálida, tiene importantes repercusiones para la productividad marina. Los nutrientes están concentrados en las aguas frías. Las aguas superficiales cálidas forman giros gigantes centrados en los subtrópicos. Están controlados por los vientos (alisios y del oeste). Los giros son los desiertos del mar. Las regiones fértiles se encuentran donde las aguas frías aportan nutrientes a la zona fótica. vientos del oeste alisios

2 Hay que destacar que la zona de alta productividad alrededor del ecuador, resultado del upwelling (afloramiento) ecuatorial, se debe a los vientos alisios y a la rotación diaria del planeta. El patrón general de productividad en el Pacífico (de acuerdo a valores medidos) refleja el patrón de circulación. Los desiertos (azul más claro) coinciden con los giros centrales. La productividad máxima (amarillo) marca zonas donde el agua fría llega a la superficie, en regiones con luz solar. El Pacífico Este tropical es un ejemplo de dicha región. En las altas latitudes la luz es limitante durante la mayor parte del año.

3 Este gráfico muestra el modelo de producción en el Atlántico deducido a través de imágenes de satélites, usando el color del mar (que cambia con la concentración de clorofila). Los patrones del gráfico están de acuerdo con las medidas directas y con la distribución de nutrientes en las aguas superficiales. Como en el Pacífico, los giros centrales (azul más claro) son desiertos, las regiones de alta productividad están concentradas alrededor de los márgenes de las cuencas oceánicas. En cuanto a la sedimentación (que registra la historia del cambio), las regiones con baja producción dan lugar a materiales calcáreos (fósiles de carbonato), mientras que las regiones de alta producción están marcadas por un incremento en conchas silíceas (diatomeas y radiolarios) y un mayor aporte de materia orgánica al fondo marino.

4 Las aguas cálidas son generalmente pobres en nutrientes (las algas ya han extraído los nutrientes). Allí donde las aguas frías penetran en las aguas cálidas, la producción es generalmente muy alta. “Anomalías frías” (marcadas) son generalmente regiones de alta productividad. frío cálido Los límites de color están cerca de 27, 20, 15, 8 y 4 grados Celsius. Basado en imagen de satélite.

5 Los patrones de sedimentación de la materia orgánica y el ópalo son similares, pero también difieren en algunos aspectos importantes. La materia orgánica se acumula sobre todo en regiones costeras someras afectadas por upwelling y en la zona del mínimo de oxígeno. El aporte de terrígenos también contribuye al depósito de la materia orgánica. Los mayores depósitos de ópalo tienen lugar alrededor de la Antártida. Distribución de la materia orgánica Distribución del ópalo

6 Agua profunda fría y rica en nutrientes Luz solar calor La razón fundamental por la cual el agua profunda es fría se debe a que el agua fría se produce en las gélidas altas latitudes y se hunde porque es pesada. La circulación resultante (como se muestra en el gráfico) transporta calor de los trópicos a las altas latitudes.

7 Las cálidas aguas superficiales se desplazan a las altas latitudes para ocupar el espacio de las masas de agua que se han hundido allí. De esta forma, se transfiere calor desde los trópicos a las zonas frías. Uno de los mejores ejemplos de este proceso es la corriente del Golfo, en la costa este de Norte América, que transporta agua cálida hacia el norte para alimentar la corriente del Atlántico Norte, lo cual aporta calor al Mar de Noruega. La transferencia de calor hace que fresas, ciruelas y manzanas crezcan en Noruega, a las mismas latitudes donde en Groenlandia hay hielos permanentes. Distribución de la temperatura en la costa este de América del Norte, vista desde el espacio. Color de la imagen falso. (Naranja: cálido; azul: frío. Negro: tierra o nubes).

8 La dirección y velocidad del viento sobre los océanos se pueden determinar mediante satélites que miden el movimiento de las ondas originadas por el viento. Los vientos más fuertes ocurren en invierno, en el Atlántico Norte (Enero) y en el Océano del Sur (Agosto). Lo que destaca en las imágenes de la izquierda, es la fuerte zonalidad de los vientos, es decir, el hecho de que la velocidad está relacionada con las latitudes. Los vientos zonales son fuertes porque las regiones polares son frías y proporcionan un fuerte contraste de temperatura a los trópicos. August 93 January 93

9 El enfriamiento de las regiones polares desde el Eoceno tardío (hace 40 millones años) resultó en el enfriamiento del océano profundo y el modelo de vientos que genera upwelling lo cual estimuló la evolución de ballenas y pingüinos. Por tanto, el hecho de que haya hielo en las altas latitudes, en tierra y en el mar (en la foto: Groenlandia y Estrecho de Davis) es fundamental para la circulación profunda y superficial. Éstas, a su vez, controlan los patrones de producción del océano.

10 La reconstrucción de la intensidad de upwelling es crucial para entender la historia física y biológica del océano. En las costas americanas (Norte y Sur) del Pacífico hay mucha pesca debido a las aguas frías que ascienden y proveen nutrientes al plancton verde (como diatomeas), estimulando el afloramiento. Los sedimentos tienen mucha materia orgánica. Las regiones con upwelling tienen gran abundancia de diatomeas y crustáceos que se alimentan de ellas. Son las zonas de pesca favoritas. sardinaskrill diatomeas

11 Lechos de kelp en California del Sur. Acuario Scripps. A lo largo de las zonas costeras con upwelling, hay tipos de algas muy grandes, conocidas como “kelp” (o quelpo). Los bosques de kelp son uno de los sistemas más productivos del planeta. El upwelling aporta nutrientes a la superficie, donde pueden fertilizar el agua afectada por la luz solar y así facilitar el crecimiento de algas microscópicas. Los animales, grandes y pequeños, se benefician de este crecimiento a través de la cadena alimenticia. Las regiones de alta producción están caracterizadas por cadenas tróficas cortas. Estas zonas son cruciales para las pesquerías.

12 El avance de desiertos, junto con la intensificación de upwelling hace unos 10 millones de años, promovieron la evolución de plantas y animales que requieren poco agua. Tanto en la tierra, como en el océano, la historia del upwelling ha tenido consecuencias importantes. Las regiones más secas del planeta (tales como el desierto de Namibia) están cerca de las frías aguas de upwelling, lo cual bloquea los vientos húmedos del mar. Desierto de Anza Borrego, San Diego, California

13 E W C C W San Diego Santiago upwelling nutrientes La circulación general, dominada por los grandes giros subtropicales, presenta otra consecuencia importante: la asimetría Este-Oeste en la zona ecuatorial. Las aguas más cálidas están en el Oeste. Aguas relativamente frías dominan el Este. masa de agua cálida

14 las regiones cálidas al Oeste de las regiones con alta productividad al este. De esta manera tenemos las aguas pobres en nutrientes al Oeste, que proveen un hábitat a los arrecifes coralinos, y los aguas La asimetría Este-Oeste, debida a los vientos alisios, separa fértiles en el Este, donde las sardinas y las anchoas se alimentan de diatomeas y sirven de alimento a cormoranes, pelicanos y mamíferos marinos.

15 nutrients La asimetría Este-Oeste proporciona el escenario para una situación “diente de sierra”. Cuando la asimetría es fuerte, el Oeste es cálido, el Este es frío, y hay buena pesca en Ecuador y Perú. Llueve mucho en Indonesia. Esta situación es conocida por los científicos como “La Niña”. Cuando la asimetría es débil (debido a suaves vientos alisios), el agua cálida se mueve al Este y bloquea el upwelling y el aporte de nutrientes. La pesca es pobre en Ecuador y Perú; hay sequía en Indonesia, y lluvia en Tahití. Perú sufre inundaciones. Esta situación es conocida como “El Niño” (por los pescadores peruanos y ahora también los científicos).

16 Las historias de los patrones de productividad, de la fuerza de upwelling, y de la asimetría Este-Oeste en el mundo tropical, contiene la información crucial que permite una reconstrucción válida de la historia del océano, incluyendo los aspectos de circulación. En zonas con baja productividad (la mayor parte del océano) se consiguen sedimentos calcáreos de color crema. Bajo áreas de alta producitividad (sobre todo alrededor de continentes) los colores son de tonos verdosos. Hay casos extremos en los que los sedimentos son ricos en gas (que se expande al recuperar los núcleos, lo cual da lugar a agujeros, como se aprecia en ODP Site 1084, a la derecha). Los sedimentos recuperados por perforación y recogida de núcleos reflejan la intensidad de producción en las aguas superficiales.

17 El upwelling y la alta productividad asociada, dan lugar a tipos de sedimentos característicos, ricos en materia orgánica y poco oxigenados. Durante la perforación de estos sedimentos y su recogida, hay que tener cuidado para permitir que los gases se escapen antes de que empujen el sedimento fuera del tubo de plástico recolector con fuerza explosiva. Generalmente, estos gases son metano (fórmula: un átomo de carbono y cuatro átomos de hidrógeno) y dióxido de carbono (fórmula: un átomo de carbono y dos átomos de oxígeno). Pero a veces también hay gases con olores desagradables. Durante el estudio de tales sedimentos en el laboratorio, el olor puede marear a algunas personas (tal y como paso durante la perforación en las costas de Nambia, donde el upwelling es extremadamente fuerte).

18 Un aspecto muy importante, cuando se estudian los sedimentos calcáreos, es la disolución de los fósiles en función de la profundidad. Por encima de los 3.000 m de profundidad los foraminíferos están bien preservados. La lisoclina es el nivel a partir del cual se disuelve una gran parte de los carbonatos, a excepción de los foraminíferos calcáreos más resistentes. La posición de la lisoclina está relacionada con las propiedades del agua del océano profundo. Por tanto, los cambios de preservación representan pistas sobre cambios en el hábitat del fondo marino. lisoclina CCD

19 El primer estudio detallado de la historia de preservación de fósiles calcáreos, durante muchos millones de años, se realizó a bordo del Glomar Challenger durante el Deep Sea Drilling Program (DSD) Leg 3, en el Atlántico Sur. Se encontraron grandes cambios de preservación, con fuerte disolución al final del Mioceno medio y un rápido incremento en la preservación desde entonces. Tras corregir los cambios en profundidad (debido a la expansión oceánica), fue posible estimar los efectos de los cambios en la química de las capas de agua profunda. Esto resultó ser importante para determinar el comienzo de la producción de aguas profundas en el Atlántico Norte.

20 Esquema muy simplificado de la circulación de corrientes oceánicas profundas, en el cual el agua fría se hunde a la altura de Groenlandia (en el Mar Labrador y los mares Nórdicos), y emerge en el océano Índico y el Pacífico Norte, donde se incorpora al flujo de las aguas superficiales (de color blanco en el gráfico). El anillo de mezcla que recorre el Océano del Sur a todas las profundidades conecta las aguas implicadas en el intercambio Pacífico-Atlántico (“the global conveyor”). La producción de agua profunda en el Atlántico Norte se realiza principalmente en el Mar de Groenlandia, pero también en el de Labrador. La otra fuente importante de agua profunda está en el Mar Weddell, en la Antártida. Hace diez millones de años, cuando el Atlántico Norte empezó a producir agua profunda de forma importante se desarrolló una fuerte asimetría en las propiedades del agua profunda entre el Atlántico y el Pacífico. Paralelamente, la preservación de los fósiles calcáreos mejoró en el Atlántico y se ha deteriorado en el Pacífico.

21 Modelo simplificado del intercambio de agua profunda entre el Atlántico y el Pacífico, mostrando 5 cajas (2 x agua superficial, 2 x agua profunda, y una para el intercambio del anillo de mezcla AA). El Atlántico Norte es como una trampa de calor. Además, aquí penetra el oxígeno (O 2 ) en el océano. El Pacífico Norte tiene menos O 2 (debido a un mayor recorrido sin intercambio con la superficie). La pérdida de O 2 en profundidad va acompañada por un aumento en dióxido de carbono, que reacciona con el agua produciendo ácido, que ataca a las conchas calcáreas. Por ello, la lisoclina es más somera en el Pacífico que en el Atlántico. En conclusión, el establecimiento de la producción de agua profunda en el Atlántico Norte cambió el clima de su entorno, a través de la transferencia de calor. Además, la preservación de las conchas calcáreas en el fondo marino incrementó, permitiendo la reconstrucción de esta historia. lisoclina