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Publicação
Spatial-Temporal dynamics of phytoplankton in the Ross Sea (Antarctica)
| Nome: | Descrição: | Tamanho: | Formato: | |
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Orientador(es)
Resumo(s)
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.
The Ross Sea, located in the Pacific sector of the Southern Ocean, incorporates different marine subsystems, such as polynyas, marginal ice zones, and coastal areas. Phytoplankton in this region is crucial to marine Antarctic food webs and plays a key role in global carbon sequestration, with implications for global climate dynamics. This study aimed to understand the environmental drivers on phytoplankton biomass and phenology using multi-sensor ocean colour remote sensing data and oceanographic models. It is also the first remote sensing study to analyse a 24-year dataset (1998-2021) to study phytoplankton across the entire Ross Sea region. In this study, a cluster analysis divided the region into three phenoregions (i.e., regions with similar phytoplankton seasonal cycles). The division was based on the concentration of chlorophyll a (chl-), the index of the reproducibility of the seasonal chl-a cycle (SCR) and the number of days without sea ice. Random forest models were subsequently applied to identify the most important drivers for bloom development in each phenoregion. Results show that the Oceanic phenoregion, influenced by winds and gyre currents, is the least productive, with early, long and low-biomass blooms driven by wind speed. The Coastal phenoregion, influenced by sea ice cover and wind intensity, was observed to have the highest phytoplankton biomass, with shorter blooms (~8 weeks), starting in November-December. The Intermediate phenoregion is very dynamic, with highly variable blooms influenced by sea ice and currents. This study provides valuable insights into the long-term spatial-temporal variability of phytoplankton biomass and phenology in the Ross Sea over the last 24 years, highlighting how abiotic factors such as winds, currents, and sea ice cover strongly influence phytoplankton dynamics, and emphasizing the need for high-resolution, long-term studies to assess the impacts of environmental changes on Antarctic ecosystems, the carbon cycle, and the polar trophic network.
The Ross Sea, located in the Pacific sector of the Southern Ocean, incorporates different marine subsystems, such as polynyas, marginal ice zones, and coastal areas. Phytoplankton in this region is crucial to marine Antarctic food webs and plays a key role in global carbon sequestration, with implications for global climate dynamics. This study aimed to understand the environmental drivers on phytoplankton biomass and phenology using multi-sensor ocean colour remote sensing data and oceanographic models. It is also the first remote sensing study to analyse a 24-year dataset (1998-2021) to study phytoplankton across the entire Ross Sea region. In this study, a cluster analysis divided the region into three phenoregions (i.e., regions with similar phytoplankton seasonal cycles). The division was based on the concentration of chlorophyll a (chl-), the index of the reproducibility of the seasonal chl-a cycle (SCR) and the number of days without sea ice. Random forest models were subsequently applied to identify the most important drivers for bloom development in each phenoregion. Results show that the Oceanic phenoregion, influenced by winds and gyre currents, is the least productive, with early, long and low-biomass blooms driven by wind speed. The Coastal phenoregion, influenced by sea ice cover and wind intensity, was observed to have the highest phytoplankton biomass, with shorter blooms (~8 weeks), starting in November-December. The Intermediate phenoregion is very dynamic, with highly variable blooms influenced by sea ice and currents. This study provides valuable insights into the long-term spatial-temporal variability of phytoplankton biomass and phenology in the Ross Sea over the last 24 years, highlighting how abiotic factors such as winds, currents, and sea ice cover strongly influence phytoplankton dynamics, and emphasizing the need for high-resolution, long-term studies to assess the impacts of environmental changes on Antarctic ecosystems, the carbon cycle, and the polar trophic network.
Descrição
Tese de Mestrado, Ecologia Marinha, 2025, Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências
Palavras-chave
Fenologia Deteção remota Clorofila-a Variáveis ambientais Comunidades fitoplantónicas Teses de mestrado - 2025