Lagrangian studies of sedimentation and transport. Impact on marine ecosystems

Resumo

En las últimas décadas ha habido un incremento en el número y calidad de datos oceánicos obtenidos mediante satélites, “drifters” y modelos computacionales, que han dado lugar a importantes avances en la descripción Lagrangiana del transporte oceánico. Diversas herramientas y conceptos físicos y matemáticos han surgido para el análisis de estos datos, muchas de ellas prestadas de la teoría de sistemas. Estas técnicas en general pertenecen a dos grandes grupos. Uno de ellos está enfocado en objetos geométricos relacionados con una versión no asintótica de los exponentes de Lyapunov. Por otro lado, hay una aproximación probabilística centrada en regiones del fluido en movimiento, los llamados métodos orientados a conjuntos. Estos se basan en la discretización del operador de Perron Frobrenius. La Biología marina es un área donde los procesos Lagrangianos indudablemente tienen importancia. Aunque los organismos marinos se consideran partículas activas, en el caso de larvas, debido a su pequeño tamaño, pueden ser tratadas como trazadores pasivos. Esto unido al hecho de que algunas especias son bastante territoriales en su fase adulta, permite estudiar su conectividad a nivel de población calculando sus trayectorias Lagrangianas. La técnica de redes de flujo ha demostrado gran eficacia en el estudio de la estructura de las poblaciones marinas, las cuáles están organizadas como subplobaciones. Esta técnica es un marco de modelado donde áreas geográficas del océano son representadas como nodos en una red conectados por enlaces que representan el transporte de propágulos (huevos y larvas) por las corrientes. Aunque esta técnica ha sido empleada en diferentes contextos, la robustez y sensibilidad global de las métricas derivadas de las redes de flujo no han sido evaluadas cuantitativamente todavía. En esta tesis se evalúan la sensibilidad y robustez de cuatro métricas que miden procesos de retención e intercambio, las cuales aportan una caracterización sistemática de la dispersión de larvas. Los parámetros más relevantes son examinados en un extenso rango de valores: densidad de partículas depositadas, duración del período larvario y la modalidad de la fase de desove. Nuestros resultados muestran importantes implicaciones a la hora de diseñar adecuadamente experimentos de conectividad usando modelos de seguimiento de partículas, así como para estimar la confianza de los resultados. Otro importante proceso biológico en el océano que puede ser estudiado mediante el enfoque Lagrangiano es el flujo descendente desde la superficie del mar hasta el fondo, de partículas biogénicas marinas ricas en carbono. Este es un proceso clave de la bomba biológica de carbono, que tiene una gran importancia (junto a la bomba de solubilidad y bombeo físico del carbono) dentro del rol que desempeña el océano en el ciclo global del carbono. Se estudia el problema del hundimiento de partículas en un flujo oceánico realista, cuyas estructuras más energéticas se encuentran en la mesoscala, centrándonos en los intervalos de tamaños y densidades de las partículas apropiados para los organismos marinos. Nuestros resultados muestran que las correcciones debidas a tamaño finito son despreciables comparadas con los términos más importantes, que son el transporte pasivo por la corriente y la velocidad constante vertical debida a la gravedad. Sin embargo, demostramos que cortes bidimensionales o proyecciones de la nube de partículas tridimensional muestran inhomogeneidades horizontales.