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Estudio de las variables del CO 2 en la región de las grandes islas del Golfo de California en condiciones de invierno J.M. Hernández-Ayón, F. Delgadillo-Hinojosa, T. Camiro-Vargas y M. López-Mariscal 59 Introducción El Golfo de California (GC) ha sido considerado uno de los ecosistemas oceánicos más productivos del planeta (Alvarez-Borrego y Lara-Lara 1991). Después del trabajo pionero de Gaxiola-Castro y Alvarez-Borrego (1978), los estudios referentes al sistema del CO 2 en este mar marginal han sido muy escasos. A pesar de ello, un resultado importante ha sido el que la Región de las Grandes Islas (RI) del GC se considere como una fuente potencial de CO 2 hacia la atmósfera debido a los intensos procesos de mezcla vertical que ahí ocurren (Zirino et al. 1997, Hidalgo-González et al. 1997), como consecuencia directa del efecto combinado de la interacción de las corrientes de marea y la batimetría (Marinone y Lavin 2003). Allí entre los estrechos de las islas y los umbrales se producen zonas frías claramente identificadas en imágenes de satélite (Santamaría del Ángel et al. 1994) y ricas en CO 2 (Camiro-Vargas 2004). En la RI no sólo existe un transporte vertical de carbono inorgánico (Hernández-Ayón 2000), sino también de nutrientes (Alvarez-Borrego et al. 1978, Torres-Valdés 2000), y de metales traza con distribución tipo nutriente (Delgadillo-Hinojosa et al. 2001). Este aporte de nutrientes es continuo y muy probablemente modulado quincenalmente por las mareas (Hidalgo- González et al. 1997, Martínez-Díaz-de-León et al. 2006). Recientemente se ha propuesto que la entrada de agua profunda al Canal de Ballenas podría ser 4

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Estudio de las variables del CO2 59

Estudio de las variables del CO2 en la región de las grandes islas del Golfo de California en condiciones de invierno

J.M. Hernández-Ayón, F. Delgadillo-Hinojosa, T. Camiro-Vargas y M. López-Mariscal

59

Introducción

El Golfo de California (GC) ha sido considerado uno de los ecosistemas oceánicos más productivos del planeta (Alvarez-Borrego y Lara-Lara 1991). Después del trabajo pionero de Gaxiola-Castro y Alvarez-Borrego (1978), los estudios referentes al sistema del CO2 en este mar marginal han sido muy escasos. A pesar de ello, un resultado importante ha sido el que la Región de las Grandes Islas (RI) del GC se considere como una fuente potencial de CO2 hacia la atmósfera debido a los intensos procesos de mezcla vertical que ahí ocurren (Zirino et al. 1997, Hidalgo-González et al. 1997), como consecuencia directa del efecto combinado de la interacción de las corrientes de marea y la batimetría (Marinone y Lavin 2003). Allí entre los estrechos de las islas y los umbrales se producen zonas frías claramente identificadas en imágenes de satélite (Santamaría del Ángel et al. 1994) y ricas en CO2 (Camiro-Vargas 2004). En la RI no sólo existe un transporte vertical de carbono inorgánico (Hernández-Ayón 2000), sino también de nutrientes (Alvarez-Borrego et al. 1978, Torres-Valdés 2000), y de metales traza con distribución tipo nutriente (Delgadillo-Hinojosa et al. 2001). Este aporte de nutrientes es continuo y muy probablemente modulado quincenalmente por las mareas (Hidalgo-González et al. 1997, Martínez-Díaz-de-León et al. 2006). Recientemente se ha propuesto que la entrada de agua profunda al Canal de Ballenas podría ser

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Los procesos biogeoquímicos del carbono60

responsable de la baja temperatura superficial en condiciones de alta mezcla que presenta esta cuenca, incluso en su parte parte profunda y lejos de los umbrales (López et al. 2006).

Los resultados de estos trabajos previos sugieren que el proceso de mezcla en la RI pudiera tener un papel muy importante en el control y distribución espacial y temporal de las concentraciones de las variables químicas. Por ejem-plo, Delgadillo-Hinojosa (2000) y Hernández-Ayón (2000) usaron un modelo de mezcla simple para calcular las fracciones de mezcla de las diferentes masas de agua presentes en el GC y entender la distribución espacial de los metales disueltos y de las variables del sistema del CO2, respectivamente. Estos autores concluyeron que más del 80% de la variabilidad del cadmio y del CO2 total (CT; también referido por otros autores como ΣCO2 o CID) podría ser explicada mediante los procesos de mezcla vertical que ocurren en la RI.

Otro factor importante en la RI es la variación estacional de las masas de Agua Subsuperficial Subtropical (ASsSt) y Agua del Golfo de California (AGC), las cuales ocupan la capa superficial de la zona (Torres-Orozco 1993). Por lo tanto, se esperaría que la combinación de factores como la variación estacional del volumen de las masas de agua, en conjunto con la intensidad de la mezcla por efecto de la marea y la batimetría, influenciaran los cambios espaciales y temporales de las variables del sistema del CO2 en la RI. En este trabajo se presentan los resultados de mediciones de las variables del sistema del CO2 en la RI. Los resultados permitieron estudiar el papel de la mezcla vertical en la distribución espacial de los parámetros del sistema del CO2 bajo condiciones de invierno.

Metodología

El área de estudio

El GC se localiza en la costa oeste de México, con una longitud aproximada 1100 km de largo y 150 km de ancho. El GC se ha dividido en cuatro regiones principales: Norte, RI, Centro y Sur. En particular, la batimetría de la RI (fig. 1) constituye una de las características más sobresalientes del GC debido a que está formada por una serie de umbrales y cuencas profundas que por una parte restringen la circulación entre el norte del GC y el centro del GC (CGC) y por la otra actúan como punto de generación de mezcla intensa por las fuertes corrientes de marea (Torres-Orozco 1993). En el sur del GC (SGC) y el centro (CGC), la profundidad de las cuencas es mayor a 3000 m, por lo que

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experimenta un intercambio libre con el Océano Pacífico adyacente (Castro et al. 2000). Al sur de la RI se encuentran los umbrales de San Esteban (~600 m de profundidad) y San Lorenzo (~400 m de profundidad) que restringen la entrada de las masas de agua profundas hacia el Canal de Ballenas (~1500 m de profundidad) (Badán-Dangón et al. 1991).

Muestreo

La campaña oceanográfica Umbrales I (UI) se realizó durante la segunda quincena de marzo de 2002 en la RI, iniciando en mareas vivas y terminando en mareas muertas. La red de muestreo cubrió un total de 38 estaciones (fig. 1b, página siguiente) y en 24 de ellas se recolectaron muestras para analizar nutrientes y las variables del sistema del CO2: pH (en la escala de protones totales), CO2 total (Ct) y Alcalinidad total (At). De las botellas Niskin se ob-tuvieron muestras con jeringas de 50 ml para los análisis de pH, At y el Ct, los cuales se llevaron a cabo a bordo del barco utilizando la técnica de titula-ción potenciométrica descrita por Hernández-Ayón et al. (1999). También se empleó un CTD Sea-bird 911 Plus con sensores para registrar la estructura vertical de la salinidad, temperatura y el oxígeno disuelto (O2).

Procesamiento de datos

La pCO2 se estimó con los datos superficiales de Ct, At, PO4, temperatura, salinidad y las constantes de Lueker et al. (2000). Los valores de Ct y pH en equilibrio con la atmósfera se calcularon con el programa CO2SYS (Lewis y Wallace 1998) usando los valores superficiales de At en cada estación y considerando una pCO2 constante de 365 µatm. La utilización aparente de oxígeno (UAO) se calculó mediante la diferencia entre el O2 a saturación calculada a partir de la temperatura y la salinidad in situ (Weiss 1970) menos la concentración del O2 medido in situ. Para las variables del sistema del CO2 se calculó la media de los primeros 100 m de profundidad de cada zona. El parámetro de estratificación (φ) se determinó de acuerdo con Simpson y Bowers (1981), con la finalidad de estimar las características físicas presentes en la RI y el efecto de la mezcla vertical sobre la distribución superficial de las variables del sistema del CO2. El valor de φ (J m-3) representa una medida de la cantidad de trabajo que se requiere para mezclar una columna de agua, donde valores altos indican una columna de agua más estratificada, mientras que valores bajos indican lo contrario.

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Los procesos biogeoquímicos del carbono62

Figura 1. a) Batimetría de la Región de las Grandes Islas dentro del Golfo de California. Los puntos negros (•) indican la posición de algunos de los umbrales. Los umbrales de la parte sur corresponden al umbral de San Lorenzo (del lado de BC) y al de San Esteban (entre las

islas de San Lorenzo y San Esteban). CB es la abreviación de Canal de Ballenas. b) Muestreo de Umbrales I. Estaciones en donde se hicieron lances de CTD solamente (), y estaciones en donde además se obtuvieron muestras para pH y Ct (•) (Las estaciones 7, 14 y 15 fueron

lances intermedios). Las líneas corresponden a los transectos analizados. El transecto A se encontró localizado del lado de la Península de Baja California; el transecto B cruza la

región por el centro; el transecto C del lado del estado de Sonora

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Resultados

Masas de agua presentes en la RI

En la figura 2 se observa que la temperatura y salinidad superficiales más bajas (14.7ºC y 35.1) se registraron en la zona de los umbrales (al sur de las islas San Lorenzo, San Esteban y Tiburón) y también al norte del Canal de Ballenas. La

Figura 1. a) Batimetría de la Región de las Grandes Islas dentro del Golfo de California. Los puntos negros (•) indican la posición de algunos de los umbrales. Los umbrales de la parte sur corresponden al umbral de San Lorenzo (del lado de BC) y al de San Esteban (entre las

islas de San Lorenzo y San Esteban). CB es la abreviación de Canal de Ballenas. b) Muestreo de Umbrales I. Estaciones en donde se hicieron lances de CTD solamente (), y estaciones en donde además se obtuvieron muestras para pH y Ct (•) (Las estaciones 7, 14 y 15 fueron

lances intermedios). Las líneas corresponden a los transectos analizados. El transecto A se encontró localizado del lado de la Península de Baja California; el transecto B cruza la

región por el centro; el transecto C del lado del estado de Sonora (continúa)

Los procesos biogeoquímicos del carbono64

Figura 2 Distribución superficial de salinidad (a) y temperatura (b) durante el crucero Umbrales I. El intervalo de los contornos, para salinidad y temperatura es de 0.05 y 0.50C,

respectivamente

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salinidad superficial aumentó hacia el noroeste de 35.05 a 35.40 (fig. 2a) mien-tras que la temperatura superficial aumentó al sureste de 14.5ºC hasta 18.0ºC (fig. 2b). Las masas de agua que se identificaron en el crucero UI fueron: AGC, ASsSt y Agua Intermedia del Pacifico (AIP) (fig. 3). Las características T-S promedio del AGC, ASsSt y AIP fueron 14.9ºC±1.2 y 35.16±0.12, 12.2ºC±0.9 y 34.89±0.09 y 6.7ºC±1.1 y 34.55±0.03, respectivamente. En este trabajo se hará énfasis en la distribución espacial del AGC, la cual se diferenció en tres tipos de agua (fig. 3): agua con baja temperatura y salinidad (14ºC, 35.05; elipse negra; AGC-1), agua con alta salinidad y menor temperatura (17ºC, 35.35; flecha con líneas punteadas; AGC-2) y agua con mayor temperatura y menor salinidad (18ºC, 35.2; flecha con líneas segmentadas; AGC-3).

Transectos de temperatura, salinidad, Ct, pH y O2

Los transectos analizados mostraron hidrografías distintas a pesar de encon-trarse tan cercanos entre sí (figs. 1b y 4). De manera general se observó que

Figura 3 Diagrama T-S correspondiente a Umbrales I (a). Las masas de agua fueron identificadas de acuerdo a Torres-Orozco (1993). Agua del Golfo de California (•), Agua

Subsuperficial Subtropical () y Agua Intermedia del Pacífico (■). La elipse encierra los datos de la zona de los umbrales y del Canal de Ballenas. La flecha segmentada corresponde al agua

localizada al sureste de la RI y la flecha punteada al agua localizada al noroeste de la RI

Tem

pera

tura

pot

enci

al (O

C)

Salinidad

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las isolíneas de temperatura, salinidad pH, Ct y O2 mostraron condiciones de mezcla intensa en el Canal de Ballenas (transecto A; estaciones 7, 8, 9, 10 y 23) y la parte norte del transecto B, mientras que la mayor estratificación se observó en la superficie del transecto C. En los tres transectos al sur de los umbrales se observó que el agua fría ascendió a la superficie desde aproximadamente 75 m de profundidad, con un alto contenido de Ct y pH bajo (fig. 4).

Parámetro de estratificación (φ) contra variables fisicoquímicas y del sistema del CO2

Con base en los valores de φ, el diagrama T-S y la forma del perfil de densidad (no se presentan estos perfiles) se delimitaron tres zonas hidrográficamente distintas (fig. 5a). La AGC-1 correspondió a la zona menos estratificada, con valores de φ menores a 17 J m-3 (Tmedia 14.3 ºC±0.4; Smedia 35.05±0.03) locali-zada en el Canal de Ballenas y la región de los umbrales de San Lorenzo, San Esteban y Tiburón. La AGC-2 correspondió a condiciones de estratificación intermedia con φ entre 17 J m-3 y 30 J m-3 (Tmedia 16 ºC±0.3; Smedia 35.31±0.07) al noroeste de la RI y del lado nororiental de la Isla Ángel de la Guarda. La AGC-3 correspondió a la zona más estratificada con valores de φ entre 30 J m-3 y 80 J m-3 (Tmedia 17.5ºC±1.1; Smedia 35.2±0.04) al sureste de la RI. Al graficar φ contra la temperatura y la salinidad superficial (figs. 5b, c) se observó que la estratificación estuvo más asociada con la temperatura que con la salinidad. La AGC-1 presentó los valores superficiales más altos de Ct y pCO2, y los más bajos de pH (figs. 5d, e y f). La AGC-3 presentó los valores más bajos de Ct y pCO2 y los máximos valores de pH. Los valores superficiales de Ct y pCO2 en el AGC estuvieron por arriba del valor en equilibrio (figs. 5d y f), mientras que el pH estuvo por debajo del valor en equilibrio (fig. 5f).

Los valores altos de UAO en la superficie indican que es agua subsuperficial recién transportada hacia la superficie, mientras que valores bajos o incluso negativos indican que el agua estuvo más tiempo en contacto con la superficie. En general, la AGC-1 presentó los valores calculados más altos de UAO y el caso contrario fue para la AGC-2. Por ejemplo, a profundidades de 0 m a 50 m, la UAO promedio para las AGC-1, 2 y 3 fueron de 62±27, 5±32 y 13±37 µmol kg-1 respectivamente. Entre los 75 m y 100 m los valores medios para las AGC-1, 2 y 3 fueron 94±19, 98±32, y 108±15 µmol kg-1 respectivamente. Estos resultados sugieren que el agua superficial de la AGC-1 presentó carac-terísticas de agua profunda recién transportada a la superficie.

Estudio de las variables del CO2 67

Figura 4. Transectos de salinidad (a1-b1-c1), temperatura (OC; a2-b2-c2), pH (a3-b3-c3), Ct (µmol kg-1; A4-B4-C4) y O2 (µmol kg-1; A5-B5-C5)

Los procesos biogeoquímicos del carbono68

Figura 5. (a) Ubicación por zona geográfica: Zona 1 (), Zona 2 () y Zona 3 (). Las cruces (+) corresponden a las estaciones de transición. Relación de temperatura (b),

salinidad (c), Ct (d), pH (e) y pCO2 (f) con φ. La línea punteada (----) corresponde al valor promedio en equilibrio de pH de 8.085, Ct de 2089.6 µmol kg-1 y pCO2 de 365 µatm,

respectivamente

Tem

pera

tura

(ºC)

Salin

idad

pHCt

(μm

ol k

g-1)

pCO

2 (μat

m)

a

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Discusiones y conclusiones

El muestreo detallado en la RI permitió analizar la distribución de las variables del CO2 y su relación con las condiciones oceanográficas presentes en la zona. El área de estudio estuvo afectada por distintas intensidades de mezcla vertical que originaron variaciones espaciales del carbono inorgánico disuelto. En los transectos verticales se mostraron las distintas condiciones hidrográficas como la zona del Canal de Ballenas y la región de los umbrales las que presentaron intensa mezcla, así como las zonas del sureste y noreste de la RI en las que se encontró alta estratificación. Esta variación en la intensidad de la mezcla vertical resultó en las zonas hidrológicas identificadas en este trabajo como AGC-1, 2 y 3.

La AGC-1, localizada en el Canal de Ballenas y la zona de los umbrales de San Lorenzo y San Esteban, se caracterizó por los bajos valores de φ, tempera-tura, salinidad, pH y O2 y además por presentar los más altos niveles de pCO2 y Ct (fig. 5) como consecuencia de un transporte de agua subsuperficial (fig. 4). Otros autores observaron un transporte similar en la misma zona sobre el umbral de San Esteban en condiciones de verano y sugirieron que afectó la distribución vertical de variables químicas como el pH y el Ct (Hernández-Ayón 2000), el NO3

- y PO4-3 (Torres-Valdés 2000) y el cadmio (Delgadillo-

Hinojosa 2000). Los valores superficiales de pH, Ct y pCO2 indican que la RI se comportó como fuente de CO2 hacia la atmósfera con valores de pCO2 >580 µatm. Sin embargo, en el AGC-1 fue donde hubo mayor transporte de agua profunda hacia la superficie, llegando la pCO2 a valores máximos de hasta 1160 µatm (fig. 5).

El Canal de Ballenas es una región característica de la RI por su alta intensidad de mezcla y porque es una cuenca con alta renovación de agua profunda y tiempo de residencia muy bajo (López et al. 2006). En particular se observó la entrada del ASsSt rica en CO2 hasta el norte de la Isla Ángel de la Guarda (fig. 4). Sin embargo, al mezclarse el ASsSt con el AGC resultó en una menor concentración de Ct en la columna de agua en comparación con el Ct medido antes de ingresar al canal. Por ejemplo, el Ct de una muestra a 500 m en el Canal de Ballenas de la estación 9 fue de ~50 µmoles más bajo que los medidos para la misma profundidad en la estación 38 localizada al sur de los umbrales.

El AGC-2, localizada en el noreste de la RI, se caracterizó por valores intermedios de temperatura, Ct y pH. Esta zona presentó una intensidad de mezcla menor a la observada en el AGC-1 y las salinidades más altas. Esto

Los procesos biogeoquímicos del carbono70

es consistente con la menor mezcla que presentan las aguas que entran a la región norte del GC por el umbral de San Esteban comparadas con las que entran al Canal de Ballenas por el umbral de San Lorenzo (ver Fig. 1 y Ló-pez et al. 2006). Las características de T-S de esta zona fueron similares a las reportadas en muestras de agua del Alto Golfo de California en condiciones de invierno (Bray 1988, Godínez-Sandoval et al. 2000). El NGC es somero (~200 m) y los procesos de evaporación son fuertes y dan lugar a la formación de agua más salinas que resulta en la formación de AGC en invierno (Lavín et al. 1995). El AGC-2 presentó los valores más altos de salinidad, con una φ intermedia y valores de UAO que sugieren que esas aguas han estado más tiempo expuestas a la superficie. Recientemente se reportó que el tiempo de residencia máximo del agua en el NGC es de aproximadamente 1.5 años (Ló-pez y García 2003). Por lo tanto, el agua del AGC-2 además de evaporación habrá pasado por procesos de degasificación de CO2, fotosíntesis o respiración. La zona norte del GC se caracteriza por tener un alto contenido de material orgánico suspendido (García-de Ballesteros y Larroque 1976) y también por una alta tasa de respiración del mismo material (Montes-Hugo et al. 1997). Esto podría explicar las diferencias en las concentraciones de Ct con respecto al agua del AGC-1 y 3.

El AGC-3 se localizó al sureste de la RI (fig. 5). Esta zona se caracterizó por tener la más alta estratificación, altas temperaturas superficiales y las con-centraciones más bajas de Ct. Se ha reportado que existe un giro anticiclónico permanente ubicado sobre la cuenca de San Pedro Mártir (Marinone y Lavín 2003) donde se localizan varias estaciones de este estudio y que corresponden a la zona 3. Dicho giro, en combinación con la circulación termohalina, pudiera explicar la ruta del agua rica en CO2 que surge en los umbrales de San Esteban y San Lorenzo y que llega por la superficie hacia el sur de los umbrales. En su camino hacia el sur el agua en la superficie comienza a calentarse y por lo tanto a estratificarse. Esta agua con altos nutrientes, CO2 y con alta estratificación, podría favorecer el proceso de fotosíntesis y, por lo tanto, la utilización de Ct. En el trabajo realizado en invierno por Gaxiola-Castro et al. (1995) se encontró la mayor estratificación asociada con los valores más altos de productividad primaria en el centro y sur del GC; mientras que las estaciones que se encon-traron en la RI presentaron alta mezcla y baja productividad.

Los resultados muestran que las zonas estudiadas en este estudio presentan diferencias en sus propiedades físicas y químicas. Sin embargo, es claro que cada zona tiene una historia de procesos diferentes, con distinta intensidad de mezcla y con una variación en los volúmenes de las masas de agua en la RI.

Estudio de las variables del CO2 71

Por ejemplo, en un análisis de las proporciones de las masas de agua en el GC, Delgadillo-Hinojosa (2000) reportó que durante el verano los primeros 50 m superficiales, se explicaron 36% de ASsSt, 57% de AGC y 7% de Agua Superficial Ecuatorial (ASE); mientras que en invierno la mezcla fue 70% del ASsSt y 30% de AGC. En este trabajo se observó un predominio de ASsSt entre los 50 m y 75 m de profundidad en la zona de los umbrales bajo condiciones de invierno. Estos resultados indican que en la RI el ASsSt es la fuente principal de Ct, y que la variación en el volumen de las masas de agua ASsSt y AGC en combinación con la intensidad de la mezcla, controlan de manera muy importante la concen-tración superficial de Ct en esa región. Además, el AGC en general se encontró saturada con CO2, indicando que bajo condiciones de invierno esta región se comportó como una fuente de CO2 hacia la atmósfera.

Agradecimientos

Nuestros agradecimientos por las críticas constructivas de los revisores Gil-berto Gaxiola y Eduardo Valdez. El manuscrito mejoró significativamente gracias a sus comentarios positivos. Esta investigación fue financiada por CONACYT bajo el proyecto número G33464-T.

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