Mirar el fitoplancton desde el espacio

Imagen de portada: costa de Namibia por el instrumento MERIS del satélite Europeo ENVISAT el 6 de noviembre del 2007. Fuente: ESA.

La entrada de hoy surge de una nueva colaboración: Cristina Rodríguez-Benito, con más de dos décadas de experiencia en la detección de fitoplancton mediante satélite. Ya verán qué interesante todo lo que nos cuenta.

Sin más, les invito a Mirar el fitoplancton desde el espacio

Por Cristina Rodríguez-Benito, PhD.

¡Que título absurdo!, podríamos pensar. Sí, efectivamente, cómo es posible “ver” algo microscópico desde 700 km de altura. Pues a primer golpe de lógica sería imposible.

Sin embargo, aunque no podemos ver, a nivel celular, las microalgas marinas como con un microscopio, sí podemos detectar sus pigmentos fotosintéticos, en particular la clorofila-a, principal indicador de la biomasa fitoplanctónica (Anderson et al., 1995; Parsons et al., 1985) y con eso calcular la concentración de los organismos que forman el primer nivel de la cadena trófica marina.

Teniendo en cuenta que el fitoplancton es responsable de la mayor producción de oxígeno del planeta y de una enorme parte de la fijación del CO2 atmosférico, las mediciones de su concentración son fundamentales para el estudio del clima.

Sus variaciones tienen gran repercusión para la vida en el planeta. Los mapas globales de la cantidad de fitoplancton en el océano nos permiten detectar las zonas más ricas y las menos productivas de los océanos (Fig. 1).

La concentración y composición de fitoplancton en el mar, junto con otros componentes del agua y factores ambientales, que mencionaremos más adelante, es lo que determina el color del océano.

Este campo de la oceanografía constituye un mundo apasionante, relacionado con las áreas de la biología, la física, la química y la geología oceánica y tiene aplicaciones en múltiples sectores.

La mejor percepción del color del océano es la que podemos realizar desde el espacio mediante el uso de los satélites de observación de la Tierra (Fig. 2). Estas naves orbitan nuestro planeta equipadas con sensores que detectan la radiación electromagnética, emitida desde los distintos componentes de la superficie terrestre.

Estos sensores se denominan radiómetros y en el caso de los que nos importan en este artículo, son sensores pasivos que funcionan en el rango del visible (detectan la longitud de onda entre 400 y 700nm).

Por simplificar la descripción, podemos decir que ven de forma semejante a lo que verían nuestros ojos desde el espacio, es decir entre 400km (desde la estación espacial internacional ISS), hasta los 700km aproximadamente en que se sitúan los satélites polares que orbitan nuestro planeta.

El primer radiómetro capaz de estudiar el color del océano fue el instrumento Costal Zone Color Scanner (CZCS), a bordo del NIMBUS 7, que envió datos desde 1978 hasta 1986.

Hubo un gran lapso de 10 años de esta información hasta la llegada del SeaWiFS (Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor) en 1997 y desde entonces se han ido estableciendo en órbita nuevos instrumentos que han ido mejorando en sus capacidades de resolución espacial y espectral.

Evitaremos la tentación de hacer un repaso detallado de esta tecnología para mencionar directamente, que en la actualidad hay alrededor de 12 instrumentos espaciales con sensores de color del océano (IOCCG, 2020).

Sin entrar en las capacidades técnicas de cada uno de ellos sólo mencionaremos que estos datos están gestionados por distintas agencias espaciales de los países propietarios de los satélites como son Estados Unidos (NASA), Agencia Espacial Europea (ESA), Japón (JAXA), China (CNSA/NSOAS), Corea del Sur (KARI/KIOST) e India (ISRO).

La política de gestión de los datos es distinta en cada caso, así como la disponibilidad de la información. En el caso de la NASA y la ESA los datos son de libre disposición para la comunidad científica.

En particular, podemos mencionar los datos del programa europeo Copernicus, que inicia en el 2014 con Sentinel 1, con datos de apertura sintética, del rango radar, y que actualmente ya tiene en órbita cinco satélites, entre ellos los S-2 y S-3, en el rango óptico, de la serie que planifica para garantizar la continuidad de las observaciones y aplicaciones en la observación de la Tierra (https://Copernicus.eu).

Para acercarnos de forma somera a la técnica de la medición del fitoplancton desde el espacio, hay que mencionar que cuando la luz del sol incide sobre la superficie marina ocurren algunos fenómenos ópticos que pueden resumirse en absorción, dispersión y retrodispersión de la radiación.  

El color del océano depende de la combinación de varios elementos que son básicamente las propiedades ópticas del agua, la cantidad de fitoplancton, la cantidad de sedimentos inorgánicos y la concentración de materia orgánica disuelta.

En este punto podríamos preguntarnos por qué vemos el mar azul y con ello por qué nuestro planeta tiene ese color en el 70% de su superficie.

Para ello, lo entenderemos mejor si miramos una imagen del fragmento de luz blanca del espectro electromagnético (Fig. 3).

En palabras sencillas, de forma global, vemos el mar de color azul porque el agua absorbe toda la radiación que llega en otras longitudes de onda más altas, como la roja.

La absorción del agua en la zona de color azul del espectro visible es muy débil, mientras que por encima de 550 nm y hasta aproximadamente 750 nm la absorción es cada vez más significativa.

Pero el mar a veces presenta tonalidades verdes, marrones y en ocasiones rojizas, entre otras. Esto depende de los organismos que se encuentran en ciertos lugares del océano, así como de la batimetría de la zona de estudio ya que en zonas someras el fondo marino puede reflejar la luz y variar la intensidad del azul.

La composición del fitoplancton puede otorgar distintos tonos dependiendo de los grupos de microalgas dominantes (Fig. 4).

El color del mar que observemos varía por tanto entre zonas oceánicas y costeras, así como según la época del año.

Esta observación es limitada cuando la realizamos desde la costa o desde barcos, pero podemos salvar estas dificultades mediante los satélites, que permiten medir sobre grandes áreas de forma sinóptica.

Esto significa que podemos abarcar grandes áreas en la observación al mismo tiempo, algo imposible con las tecnologías tradicionales para cuantificar la biomasa fitoplanctónica, en especial en zonas muy extensas y alejadas como las de ambas costas de la Patagonia (Fig. 5).

En este punto es muy relevante mencionar que la tecnología espacial es una herramienta más para el estudio de los océanos y como todo instrumental tiene sus ventajas y desventajas. La observación sinóptica de grandes áreas y con una frecuencia diaria o de pocos días de revisita (dependiendo del satélite) es la gran ventaja.

La limitación de datos ante nubosidad es la gran desventaja. Por otro lado, hay que considerar que para realizar determinaciones taxonómicas es necesario la toma de datos in situ. Sin embargo, el poder apoyarnos en el dato satelital puede ser una información estratégica a la hora de muestrear una zona de interés, por ejemplo, ante eventos de floraciones de fitoplancton o también llamados blooms por su terminología en inglés.

Cuando las especies que están presentes contienen toxinas se denominan floraciones algales nocivas (FAN). Estos eventos de crecimientos explosivos de fitoplancton pueden ser dañinos para la salud humana, para las actividades productivas como la acuicultura, o para las recreativas como el turismo.

En muchos casos estos eventos se denominan mareas rojas, pero ya sabemos que no siempre las mareas rojas son toxicas tóxicas y por otro lado las floraciones toxicas tóxicas no siempre tienen el mismo color.

Estacionalmente ocurren floraciones de microalgas en todo el planeta, pero todavía no se conoce la causa de todas las floraciones microalgalesellas y es son un tema de estudio para investigadores de todo el mundo, habiéndose creado programas internacionales como Global Harmful Algal Blooms, un programa internacional apoyado por SCOR (Scientific Committee on Oceanic Research) y por la IOC (Intergovernmental Oceanographic Commission) de UNESCO.

Dado que no es posible tener un afinado conocimiento de las causas de estos eventos, la mejor forma de mitigar los impactos es el uso de todas las tecnologías disponibles para anticiparse a ellos.

La percepción remota nos puede permitir ahorrar muchos recursos económicos al poder detectar estos focos de actividad cuando se trata de grandes áreas que no pueden monitorearse de forma tradicional operativamente, por los costos que supone la logística para movilizar embarcaciones, personal y equipamiento.

Determinar el lugar y momento de una floración desde el espacio permite ir a muestrear de forma dirigida, sin dejar a un lado la operatividad de los programas de monitoreo costero.

La incorporación de la observación satelital de forma operacional no solo tiene aplicaciones científicas, sino que es relevante en la toma de decisiones de las administraciones y entidades privadas porque con estos datos es posible generar una alerta temprana ante eventos dañinos para la vida o con repercusiones socio-económicas.

Este fue el caso de las floraciónes floraciones algales dañinas ocurridas en las costas del sur de Chile en el 2016 (ver Fitopasión, 29-V-2019) (Fig. 6), detectadas en mar abierto, más allá de los fiordos y canales donde opera la acuicultura.

En este evento se sucedieron varias especies dañinas, la primera de ellas para la salmonicultura (Villanueva et al, 2016). Pero dado que la tecnología satelital no estaba considerada en los programas de monitoreo de la actividad acuícola, las primeras observaciones no fueron acogidas por la industria.

Sin embargo la colaboración interdisciplinaria con los servicios de salud del Gobierno regional evitó el fallecimiento de personas, por el cierre oportuno de las áreas de manejo de mariscos, en un evento donde los niveles de toxicidad, por toxina paralitica paralítica superaron con creces las concentraciones permitidas para el consumo humano (Rodríguez & Haag, 2016).

La detección de floraciones algales desde el espacio requiere un trabajo minucioso desde el punto de vista técnico y oceanográfico y a través de esta área de la ciencia marina es posible enriquecer los conocimientos oceanográficos de las zonas de estudio.

Las imágenes de color del océano no solo permiten la cuantificación de la biomasa fitoplanctónica y la producción primaria de los océanos, sino que por los patrones de colores, formas y dimensiones es posible detectar fenómenos oceanográficos como corrientes marinas, grandes giros en los océanos (Fig. 7), áreas ricas en productividad marina y otros aspectos de la oceanografía costera a nivel de mesoescala.

Algunos de estos aspectos proporcionan herramientas de gestión y clasificación de actividad productivas, recreacionales y de protección y conservación de áreas marinas (Fig. 8).

Con una inversión inicial no menor por parte de los gobiernos es posible tener información ambiental durante muchos años, de forma operacional sobre grandes áreas del planeta.

Todo ello permite mejorar la mejor administración de los recursos marinos y la toma de decisiones en la gestión y cuidado de los océanos.

Sobre la autora:

La doctora Cristina V. Rodríguez-Benito (cristina.rodriguez@mariscope.cl), española, estudió en la Universidad de Alcalá de Henares.

Inició su carrera relacionada con la tecnología satelital en un curso de la Agencia Espacial Europea (ESA) y posteriormente en un proyecto de la ESA realizado entre el ICCM, en Gran Canaria y la empresa de ingeniería GMV.

Vive en la Patagonia hace 17 años con su familia y trabaja como investigadora y empresaria desde la compañía Mariscope, dedicada a tecnología marina y a ciencia aplicada.

Desde su llegada a Latinoamérica ha promovido el uso de la tecnología satelital para las aplicaciones en salud humana, en la acuicultura, y en la observación de patrones oceanográficos a mesoescala de áreas marinas del sur de Chile.

Sus pasiones el océano y el espacio.

Referencias:
• Anderson, D.M. (ed.). 1995. ECOHAB, The ecology and oceanography of harmful algal blooms: A national research agenda. Woods Hole Oceanographic Institution, Woods Hole, MA. 66 pp.
• IOCCG (2020). International Ocean Color Coordinating Group. https://ioccg.org
• Parsons, T. R.; ., Y. Maita, C. M. Lalli (1985) A manual of chemical and biological methods for seawater analysis. Pergamon Press. Oxford. 173 pp.
• Rodríguez-Benito, Cristina V. and C. Haag (2016). Remote Sensing of recent huge algal blooms with High Socio-Economic Impact in the Southern Pacific Coast. Color and Light in the Ocean from EO (CLEO), Frascaty (Italy), 6-8 Sept. 2016.
• Villanueva F. et al, 2016. Harmful algal bloom of Pseudochatonella verruculosa (Dictiochophyceae, Florenciellales) associated with salmon farm mortalities in the south of Chile. Conference ICHA, Nov. 2016.