Publicação

Spatial-Temporal dynamics of phytoplankton in the Ross Sea (Antarctica)

Detalhes bibliográficos
Resumo:	O Oceano Austral é um dos oceanos mais remotos do planeta e tem um papel fundamental no sistema climático global, sendo responsável por 40 a 50% da absorção oceânica de dióxido de carbono (CO2) e pela absorção de 75% do calor atmosférico. A dinâmica deste ecossistema é dominada pela Corrente Circumpolar Antártica (CCA) e pelos giros oceânicos. Na região existem dois giros oceânicos, um localizado no Mar de Ross e outro no Mar de Weddell. Estes são importantes pois formam um elo entre a CCA e a zona costeira da Antártida. As comunidades oceânicas de fitoplâncton no Oceano Austral são abundantes e altamente dinâmicas, sendo primariamente influenciadas por processos físicos e químicos, incluindo a disponibilidade de luz, a temperatura, a concentração de gelo marinho, a profundidade da camada de mistura e a disponibilidade de ferro. O Oceano Austral apresenta ainda uma sazonalidade marcada, caracterizada por um período de inverno muito pouco produtivo devido à limitação de luz e à extensa cobertura de gelo marinho, e por um período de verão bastante produtivo. O Mar de Ross localiza-se no setor Pacífico Ocidental do Oceano Austral (longitude: 120ºE a 120ºW e latitude: 60ºS a 85ºS) e incorpora diferentes subsistemas marinhos, tais como polínias, zonas marginais de gelo ao largo da costa e áreas costeiras. Esta região é altamente influenciada pelos ventos catabáticos, ventos de alta densidade que descem pelas Montanhas Transantárcticas ao longo dos lados sul e oeste da Plataforma de Gelo de Ross e da costa da Terra de Victoria. Esta região é também altamente influenciada pelo giro do Mar de Ross. Estes dois fatores alteram a cobertura de gelo marinho, a disponibilidade de nutrientes, correntes e salinidade. As principais polínias presentes na região são a polínia da Baía Terra Nova e a polínia do Mar de Ross. Além de ser uma das regiões mais produtivas e dinâmicas do Oceano Austral, o Mar de Ross apresenta também uma grande variabilidade espacial. Nas suas águas mais oceânicas, o fitoplâncton é menos abundante e varia principalmente em função da mistura vertical da coluna de água, da cobertura de gelo marinho e da disponibilidade de ferro. Por outro lado, a plataforma continental é caracterizada por ter uma elevada taxa de produção primária, uma vez que os macronutrientes (nitrato, fosfato e silicato) raramente se esgotam nas águas superficiais durante a época de crescimento do fitoplâncton. No entanto, o crescimento do fitoplâncton pode ser limitado por certas condições, por exemplo, pela disponibilidade de ferro (micronutriente), pelas baixas temperaturas e pela falta de condições ótimas de luz solar. Esta produtividade característica da região é a base da rede trófica e elemento principal da dieta do krill antártico (Euphausia superba), elemento-chave da rede trófica polar. Por outro lado, a elevada produção primária vai também influenciar diretamente a bomba biológica de carbono, uma vez que o fitoplâncton tem um papel essencial na captura e sequestro de carbono, promovendo o seu transporte para o fundo do oceano, levando a várias implicações ao nível do ciclo do carbono e das alterações climáticas. Este trabalho teve como principal objetivo compreender os efeitos das alterações ambientais na biomassa de fitoplâncton e da fenologia dos blooms de fitoplâncton no Mar de Ross (Antártida). Para tal, foram estabelecidos três objetivos específicos: (i) investigar a variação espácio-temporal das concentrações de clorofila-a (chl-a), como proxy da biomassa de fitoplâncton; (ii) analisar as alterações na fenologia do bloom de fitoplâncton ao longo de 24 anos (1998-2021); (iii) avaliar a forma como os parâmetros abióticos influenciaram a variabilidade da chl-a durante o mesmo período. Este é o primeiro trabalho de deteção remota a focar-se no Mar de Ross como um todo, utilizando para tal uma série temporal de larga escala, com 24 anos de dados. Para a realização deste trabalho foram utilizados dados de deteção remota, uma ferramenta para a monitorização da biomassa de fitoplâncton, que é essencial para estudar as alterações espaciais e temporais da chl-a nos oceanos, principalmente em áreas remotas de difícil acesso. Neste estudo, foi utilizado um conjunto de dados obtidos através de deteção remota de longo prazo (1998-2021; período de 24 anos comum a todas as variáveis) com resolução diária, nomeadamente a concentração de chl-a proveniente da Ocean Colour Climate Change Initiative; OC-CCI, a concentração de gelo marinho e a temperatura da superfície do mar adquiridos do produto Operational Sea Surface Temperature and Ice Analysis; OSTIA. Foram também utilizados dados, obtidos através de modelação de salinidade, velocidade e direção de correntes oceânicas obtidos através do produto Global Ocean Physics Reanalysis e, por fim, dados da velocidade e direção do vento obtidos pelo modelo ERA5. Para avaliar a fenologia do fitoplâncton, entre 1998 e 2021, foram analisadas várias métricas fenológicas (e.g. semana de início ou fim do bloom, duração do bloom, etc.). Estas foram calculadas para o período de crescimento, ou seja, de setembro a abril. Posteriormente, de forma a analisar a variabilidade dos diferentes ciclos de crescimento do fitoplâncton na região do Mar de Ross, foi também calculado um índice da semelhança em relação ao ciclo sazonal médio da chl-a (SCR). Para tal, foi feita uma correlação entre o ciclo sazonal médio de chl-a entre 1998 e 2022 (valor de referência) e o ciclo sazonal de chl-a para cada ano. Com o intuito de identificar e analisar as tendências ao longo dos anos da biomassa e da fenologia dos blooms, foi realizada uma regressão linear, considerando o declive da reta como indicador da tendência linear, para a chl-a e para as métricas de fenologia selecionadas (início do bloom, fim do bloom, duração do bloom, produtividade do bloom). Uma vez que o Mar de Ross é uma região extensa e dinâmica, foi necessário dividir a área em três fenoregiões (i.e., áreas com padrões fenológicos coerentes). Tal foi feito com base numa análise de clustering hierárquico, que utilizou três variáveis: a chl-a, o SCR e o número anual de dias sem gelo marinho. Para cada uma das fenoregiões, calculou-se novamente as métricas de fenologia e aplicaram-se modelos de regressão Random Forests para identificar os factores abióticos que mais influenciam a biomassa e a dinâmica fitoplantónica. Com este trabalho, foi possível concluir que a fenoregião oceânica é a menos produtiva da região (baixa biomassa), sendo caracterizada por blooms fitoplantónicos longos (doze semanas), que se iniciam mais cedo, por volta de outubro-novembro. Esta fenoregião é influenciada principalmente pelo vento e pelas correntes oceânicas, o que está relacionado com a sua proximidade ao giro do Mar de Ross. Os resultados mostram ainda que o bloom tende a começar mais cedo em anos com ventos de menor velocidade. Na região costeira, os blooms começam mais tarde, por volta de novembro-dezembro, apresentam uma duração mais curta (oito semanas) e são caracterizados por uma maior biomassa. A zona costeira é uma região muito influenciada pela cobertura de gelo marinho e pelo vento. Na verdade, a força e intensidade do vento afeta a extensão da polínia, ou seja, pode ter maior ou menos cobertura de gelo. Quando a cobertura de gelo é menor, geralmente o bloom começa mais cedo, uma vez que existe um aumento de disponibilidade luminosa para a fotossíntese e mais espaço disponível para o fitoplâncton crescer. Por último, a fenoregião intermédia, localizada entre as duas anteriores, é caracterizada por um menor SCR, apresentando uma maior variabilidade de ano para ano no seu ciclo anual de crescimento de fitoplâncton. Assim, esta é a fenoregião mais complexa, onde os blooms fitoplantónicos têm uma duração média de nove semanas, começando em dezembro-janeiro, e é principalmente influenciada pela cobertura de gelo marinho e pelas correntes oceânicas. Apesar de a cobertura de gelo ser um fator crucial para o início do bloom, as correntes também são importantes uma vez que podem afetar a distribuição de nutrientes e de gelo marinho, o que por sua vez, pode afetar a duração do bloom. As tendências de chl-a no Mar de Ross mostram o aumento da mesma na zona da polínia do Mar de Ross e nas ilhas Balleny. Já as tendências da fenologia mostram alteração dos timings do bloom na região oceânica. Este estudo fornece informações úteis sobre a variabilidade espácio-temporal da biomassa e da fenologia de fitoplâncton, fornece também informações relativas aos efeitos das variáveis abióticas das comunidades de fitoplâncton no Mar de Ross nos últimos 24 anos (1998-2021). Utilizando dados de deteção remota e modelos de Machine Learning avançados, como Random Forests, foi possível avaliar as tendências e identificar os principais fatores abióticos da dinâmica do fitoplâncton neste complexo e amplo ecossistema marinho polar. Com este trabalho, concluímos que a variabilidade espacial e temporal da biomassa de fitoplâncton, assim como o timing dos seus blooms são fortemente influenciadas por fatores abióticos, como os ventos, as correntes oceânicas e a cobertura de gelo marinho, destacando-se dinâmicas distintas entre as diferentes fenoregiões. Este trabalho destaca a importância de estudos de longa duração e de alta resolução para compreender o impacto das alterações ambientais nos ecossistemas marinhos antárticos e nas suas implicações para o ciclo do carbono e a rede trófica polar.
Autores principais:	Limeira, Graça Sofia Monteiro Nunes
Assunto:	Fenologia Deteção remota Clorofila-a Variáveis ambientais Comunidades fitoplantónicas Teses de mestrado - 2025
Ano:	2025
País:	Portugal
Tipo de documento:	dissertação de mestrado
Tipo de acesso:	acesso aberto
Instituição associada:	Universidade de Lisboa
Idioma:	inglês
Origem:	Repositório da Universidade de Lisboa

Descrição
Resumo:	O Oceano Austral é um dos oceanos mais remotos do planeta e tem um papel fundamental no sistema climático global, sendo responsável por 40 a 50% da absorção oceânica de dióxido de carbono (CO2) e pela absorção de 75% do calor atmosférico. A dinâmica deste ecossistema é dominada pela Corrente Circumpolar Antártica (CCA) e pelos giros oceânicos. Na região existem dois giros oceânicos, um localizado no Mar de Ross e outro no Mar de Weddell. Estes são importantes pois formam um elo entre a CCA e a zona costeira da Antártida. As comunidades oceânicas de fitoplâncton no Oceano Austral são abundantes e altamente dinâmicas, sendo primariamente influenciadas por processos físicos e químicos, incluindo a disponibilidade de luz, a temperatura, a concentração de gelo marinho, a profundidade da camada de mistura e a disponibilidade de ferro. O Oceano Austral apresenta ainda uma sazonalidade marcada, caracterizada por um período de inverno muito pouco produtivo devido à limitação de luz e à extensa cobertura de gelo marinho, e por um período de verão bastante produtivo. O Mar de Ross localiza-se no setor Pacífico Ocidental do Oceano Austral (longitude: 120ºE a 120ºW e latitude: 60ºS a 85ºS) e incorpora diferentes subsistemas marinhos, tais como polínias, zonas marginais de gelo ao largo da costa e áreas costeiras. Esta região é altamente influenciada pelos ventos catabáticos, ventos de alta densidade que descem pelas Montanhas Transantárcticas ao longo dos lados sul e oeste da Plataforma de Gelo de Ross e da costa da Terra de Victoria. Esta região é também altamente influenciada pelo giro do Mar de Ross. Estes dois fatores alteram a cobertura de gelo marinho, a disponibilidade de nutrientes, correntes e salinidade. As principais polínias presentes na região são a polínia da Baía Terra Nova e a polínia do Mar de Ross. Além de ser uma das regiões mais produtivas e dinâmicas do Oceano Austral, o Mar de Ross apresenta também uma grande variabilidade espacial. Nas suas águas mais oceânicas, o fitoplâncton é menos abundante e varia principalmente em função da mistura vertical da coluna de água, da cobertura de gelo marinho e da disponibilidade de ferro. Por outro lado, a plataforma continental é caracterizada por ter uma elevada taxa de produção primária, uma vez que os macronutrientes (nitrato, fosfato e silicato) raramente se esgotam nas águas superficiais durante a época de crescimento do fitoplâncton. No entanto, o crescimento do fitoplâncton pode ser limitado por certas condições, por exemplo, pela disponibilidade de ferro (micronutriente), pelas baixas temperaturas e pela falta de condições ótimas de luz solar. Esta produtividade característica da região é a base da rede trófica e elemento principal da dieta do krill antártico (Euphausia superba), elemento-chave da rede trófica polar. Por outro lado, a elevada produção primária vai também influenciar diretamente a bomba biológica de carbono, uma vez que o fitoplâncton tem um papel essencial na captura e sequestro de carbono, promovendo o seu transporte para o fundo do oceano, levando a várias implicações ao nível do ciclo do carbono e das alterações climáticas. Este trabalho teve como principal objetivo compreender os efeitos das alterações ambientais na biomassa de fitoplâncton e da fenologia dos blooms de fitoplâncton no Mar de Ross (Antártida). Para tal, foram estabelecidos três objetivos específicos: (i) investigar a variação espácio-temporal das concentrações de clorofila-a (chl-a), como proxy da biomassa de fitoplâncton; (ii) analisar as alterações na fenologia do bloom de fitoplâncton ao longo de 24 anos (1998-2021); (iii) avaliar a forma como os parâmetros abióticos influenciaram a variabilidade da chl-a durante o mesmo período. Este é o primeiro trabalho de deteção remota a focar-se no Mar de Ross como um todo, utilizando para tal uma série temporal de larga escala, com 24 anos de dados. Para a realização deste trabalho foram utilizados dados de deteção remota, uma ferramenta para a monitorização da biomassa de fitoplâncton, que é essencial para estudar as alterações espaciais e temporais da chl-a nos oceanos, principalmente em áreas remotas de difícil acesso. Neste estudo, foi utilizado um conjunto de dados obtidos através de deteção remota de longo prazo (1998-2021; período de 24 anos comum a todas as variáveis) com resolução diária, nomeadamente a concentração de chl-a proveniente da Ocean Colour Climate Change Initiative; OC-CCI, a concentração de gelo marinho e a temperatura da superfície do mar adquiridos do produto Operational Sea Surface Temperature and Ice Analysis; OSTIA. Foram também utilizados dados, obtidos através de modelação de salinidade, velocidade e direção de correntes oceânicas obtidos através do produto Global Ocean Physics Reanalysis e, por fim, dados da velocidade e direção do vento obtidos pelo modelo ERA5. Para avaliar a fenologia do fitoplâncton, entre 1998 e 2021, foram analisadas várias métricas fenológicas (e.g. semana de início ou fim do bloom, duração do bloom, etc.). Estas foram calculadas para o período de crescimento, ou seja, de setembro a abril. Posteriormente, de forma a analisar a variabilidade dos diferentes ciclos de crescimento do fitoplâncton na região do Mar de Ross, foi também calculado um índice da semelhança em relação ao ciclo sazonal médio da chl-a (SCR). Para tal, foi feita uma correlação entre o ciclo sazonal médio de chl-a entre 1998 e 2022 (valor de referência) e o ciclo sazonal de chl-a para cada ano. Com o intuito de identificar e analisar as tendências ao longo dos anos da biomassa e da fenologia dos blooms, foi realizada uma regressão linear, considerando o declive da reta como indicador da tendência linear, para a chl-a e para as métricas de fenologia selecionadas (início do bloom, fim do bloom, duração do bloom, produtividade do bloom). Uma vez que o Mar de Ross é uma região extensa e dinâmica, foi necessário dividir a área em três fenoregiões (i.e., áreas com padrões fenológicos coerentes). Tal foi feito com base numa análise de clustering hierárquico, que utilizou três variáveis: a chl-a, o SCR e o número anual de dias sem gelo marinho. Para cada uma das fenoregiões, calculou-se novamente as métricas de fenologia e aplicaram-se modelos de regressão Random Forests para identificar os factores abióticos que mais influenciam a biomassa e a dinâmica fitoplantónica. Com este trabalho, foi possível concluir que a fenoregião oceânica é a menos produtiva da região (baixa biomassa), sendo caracterizada por blooms fitoplantónicos longos (doze semanas), que se iniciam mais cedo, por volta de outubro-novembro. Esta fenoregião é influenciada principalmente pelo vento e pelas correntes oceânicas, o que está relacionado com a sua proximidade ao giro do Mar de Ross. Os resultados mostram ainda que o bloom tende a começar mais cedo em anos com ventos de menor velocidade. Na região costeira, os blooms começam mais tarde, por volta de novembro-dezembro, apresentam uma duração mais curta (oito semanas) e são caracterizados por uma maior biomassa. A zona costeira é uma região muito influenciada pela cobertura de gelo marinho e pelo vento. Na verdade, a força e intensidade do vento afeta a extensão da polínia, ou seja, pode ter maior ou menos cobertura de gelo. Quando a cobertura de gelo é menor, geralmente o bloom começa mais cedo, uma vez que existe um aumento de disponibilidade luminosa para a fotossíntese e mais espaço disponível para o fitoplâncton crescer. Por último, a fenoregião intermédia, localizada entre as duas anteriores, é caracterizada por um menor SCR, apresentando uma maior variabilidade de ano para ano no seu ciclo anual de crescimento de fitoplâncton. Assim, esta é a fenoregião mais complexa, onde os blooms fitoplantónicos têm uma duração média de nove semanas, começando em dezembro-janeiro, e é principalmente influenciada pela cobertura de gelo marinho e pelas correntes oceânicas. Apesar de a cobertura de gelo ser um fator crucial para o início do bloom, as correntes também são importantes uma vez que podem afetar a distribuição de nutrientes e de gelo marinho, o que por sua vez, pode afetar a duração do bloom. As tendências de chl-a no Mar de Ross mostram o aumento da mesma na zona da polínia do Mar de Ross e nas ilhas Balleny. Já as tendências da fenologia mostram alteração dos timings do bloom na região oceânica. Este estudo fornece informações úteis sobre a variabilidade espácio-temporal da biomassa e da fenologia de fitoplâncton, fornece também informações relativas aos efeitos das variáveis abióticas das comunidades de fitoplâncton no Mar de Ross nos últimos 24 anos (1998-2021). Utilizando dados de deteção remota e modelos de Machine Learning avançados, como Random Forests, foi possível avaliar as tendências e identificar os principais fatores abióticos da dinâmica do fitoplâncton neste complexo e amplo ecossistema marinho polar. Com este trabalho, concluímos que a variabilidade espacial e temporal da biomassa de fitoplâncton, assim como o timing dos seus blooms são fortemente influenciadas por fatores abióticos, como os ventos, as correntes oceânicas e a cobertura de gelo marinho, destacando-se dinâmicas distintas entre as diferentes fenoregiões. Este trabalho destaca a importância de estudos de longa duração e de alta resolução para compreender o impacto das alterações ambientais nos ecossistemas marinhos antárticos e nas suas implicações para o ciclo do carbono e a rede trófica polar.