CARACTERIZAÇÃO DO CICLO SAZONAL DE CLOROFILA NA BACIA DE SERGIPE- ALAGOAS A PARTIR DE DADOS DE SATÉLITE

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1 CARACTERIZAÇÃO DO CICLO SAZONAL DE CLOROFILA NA BACIA DE SERGIPE- ALAGOAS A PARTIR DE DADOS DE SATÉLITE Milton Kampel 1, Natalia de Moraes Rudorff 2, Fabio Dall Cortivo 3, Lucas Barbedo de Freitas 4, Larissa Patricio Valerio 5 1 Oceanógrafo, Pesquisador Titular, INPE, São José dos Campos-SP, milton@dsr.inpe.br 2 Eng a Aquicultura, Pesquisadora Colaboradora, INPE, São José dos Campos-SP, nmr@dsr.inpe.br 3 Matemático, Pesquisador Colaborador, INPE, São José dos Campos-SP, Fabio.cortivo@dsr.inpe.br 4 Oceanógrafo, Pesquisador Colaborador, INPE, São José dos Campos-SP, lbfreitas@dsr.inpe.br 5 Oceanógrafa, Pesquisadora Colaboradora, INPE, São José dos Campos-SP, larissa@dsr.inpe.br RESUMO: O ciclo sazonal de crescimento fitoplanctônico é extremamente importante para a bomba biológica de carbono e transferência de energia para níveis tróficos mais altos. Séries temporais de concentração de clorofila-a na superfície do mar (CSM) estimada com dados MODIS entre 2002 e 2012 foram analisadas para estudar o ciclo fenológico da biomassa fitoplanctônica na Bacia de Sergipe-Alagoas. Um modelo Gaussiano foi ajustado à variabilidade temporal da CSM permitindo caracterizar o período e a magnitude dos picos anuais de clorofila nos domínios de plataforma continental e talude na área de estudo. A CSM modelada apresentou pequenas diferenças em relação aos dados MODIS tanto na plataforma (0,14 mg.m -3 em setembro) como no talude (0,006 mg.m -3 em fevereiro). Em ambos os domínios, o pico de clorofila ocorreu em junho, tendo se iniciado em março. Este ciclo é típico de águas tropicais de baixas latitudes com início em condições de baixa estabilidade vertical da coluna d água e fertilização da camada de mistura com nutrientes. Sobre a plataforma, outros fatores podem influenciar os processos de mistura vertical e a disponibilidade de nutrientes, como o aporte continental, precipitação e ação das marés. Entretanto, a regularização da vazão do rio São Francisco, com a instalação de reservatórios em sistema de cascatas, diminuiu o potencial impacto do fluxo fluvial na região costeira adjacente. Como os domínios de plataforma e talude apresentaram padrões similares, acredita-se que os processos de mistura pelo vento e aquecimento/resfriamento das águas sejam os fatores determinantes para o ciclo fitoplanctônico nesta região. PALAVRAS-CHAVE: Sensoriamento remoto da cor do oceano, MODIS, fitoplâncton. INTRODUÇÃO: A Bacia Sergipe-Alagoas (SEAL) situa-se na margem continental e talude do nordeste brasileiro, com cerca de km 2, sendo dois terços na porção marítima (CAVALCANTE, 2011). Mesmo sendo uma região de grande importância econômica para o país, há relativamente poucos estudos sobre os processos oceanográficos dominantes e possíveis mudanças climáticas e antropogênicas (SILVA et al., 2009; OLIVEIRA et al., 2012). A região oceânica adjacente tem uma importância relevante na variabilidade do clima e padrão de chuvas da região Nordeste, associadas às anomalias da temperatura superficial do oceano, o que requer a realização de mais estudos sobre os padrões de circulação e trocas de fluxo de calor (SILVA et al., 2009). As bacias hidrográficas que deságuam na região do SEAL têm sofrido mudanças significativas de uso e cobertura de solo, e impactos principalmente com a implantação do sistema de barragens em cascata ao longo do Rio São Francisco (OLIVEIRA et al., 2012). A menor vazão do Rio São Francisco (RSF) em sua desembocadura tem diminuído o aporte de material orgânico que estimula o crescimento fitoplanctônico, diminuindo a produtividade na plataforma e talude (OLIVEIRA, 2009). O estudo da variabilidade espaço-temporal da dinâmica das águas costeiras e oceânicas na Bacia de SEAL é, portanto, importante para a caracterização ambiental e monitoramento das mudanças geradas por tensores climáticos e antropogênicos na região. Neste contexto, o objetivo do presente trabalho foi caracterizar o ciclo sazonal de concentração de clorofila na superfície do mar estimada por satélite na Bacia do SEAL. Este trabalho insere-se no Projeto MARSEAL - Caracterização Ambiental da Bacia de Sergipe e Sul de Alagoas, coordenado pelo PETROBRAS/CENPES. MATERIAL E MÉTODOS: A área de estudo compreende a Bacia de Sergipe-Alagoas em sua porção marítima limitada pelas latitudes de 8,5 o -13,5 o S e longitudes de 32 o -37,5 o O. Esta área foi 209

2 dividida nos domínios de plataforma (da linha de costa até a isóbata de 50 m) e talude (da isóbata de 50 m até ~32 o O, com profundidades >4.000m). Imagens médias mensais de concentração de clorofilaa na superfície do mar (CSM) foram geradas para a região de estudo a partir de dados do sensor Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS), a bordo do satélite EOS-AQUA. Foram utilizados dados em formato HDF, com resolução espacial de 4 km, obtidos do Ocean Biology Processing Group, da NASA, compreendendo o período de julho de 2002 a julho de As concentrações de clorofila-a foram estimadas com o emprego da versão mais recente do algoritmo padrão da NASA, OC3Mv6, reprocessamento R ( Foram gerados mapas de CSM médios para cada mês do ano, calculando-se a média dos valores em cada ponto de grade no período considerado. Foram extraídas as séries temporais de valores médios mensais de CSM MODIS e respectivos desvios-padrão para os domínios de plataforma e talude. Para descrever o ciclo anual fitoplanctônico na área de estudo, ajustaram-se os valores médios mensais de CSM com uma função temporal Gaussiana. Esta função foi utilizada previamente por outros autores, inicialmente para analisar o perfil vertical de pigmento (PLATT et al., 1988, entre outros), e subsequentemente, a série temporal de CSM obtida por satélite durante a floração de primavera, que também apresenta uma distribuição similar com um pico anual (SIEGEL et al., 2002; KAMPEL et al., 2013). A função Gaussiana descrevendo a série temporal de CSM é dada pela Equação 1 a seguir: h ( t mmax ) CSM ( t) CSM 0 *exp (1) onde CSM 0 é a linha-de-base da concentração de clorofila (mg/m 3 ), m max é o mês do pico, (mês) é o desvio-padrão da curva de Gauss e define a largura do pico; h 2 define a concentração do pico; h (mg/m 3 mês) é a integral da CSM total acima da linha-de-base. Este modelo foi ajustado às séries anuais de CSM entre janeiro e dezembro, utilizando o método de mínimos quadrados. O timing do florescimento fitoplanctônico pode ser identificado pela avaliação da época na qual os eventos na série temporal de CSM ocorrem. Além da época em que a concentração máxima é observada ( m ), definiu-se o início do crescimento ( m mediano (SIEGEL et al., 2002). RESULTADOS E DISCUSSÃO: ini ) como a época em que a CSM aumenta 10% acima do valor Os valores de CSM mais altos foram observados na plataforma continental com médias mensais variando entre 0,2-3,0 mg.m -3. Valores 0,1 mg.m -3 foram observados no talude ao longo do ano (Figura 1). Uma pluma com valores relativamente mais altos de CSM foi observada no inverno (junho-julho) próxima à linha de costa e à desembocadura dos rios de pequeno e médio porte, principalmente o Rio São Francisco. O inverno é a época de maior precipitação na região (ANA, 2013), com aumento da drenagem continental e contribuição dos afluentes no Baixo Rio São Francisco e de pequenos rios que deságuam na plataforma do SEAL, como o Sergipe, Vaza-Barris e Piauí-Real. Antes da construção das barragens no Rio São Francisco o maior pulso de vazão ocorria nos meses de primavera-verão em associação à elevada pluviosidade na região do Alto e Médio Rio São Francisco (OLIVEIRA et al., 2012). Após o início de operação da última barragem de Xingu, em 1994, a vazão deste rio foi regularizada em torno de m 3.s -1 (ANA, 2013). Essa mudança no regime de vazão impactou na produtividade e no transporte de sedimentos causando processos erosivos severos na zona costeira do SEAL (OLIVEIRA, 2009; OLIVEIRA et al., 2012). A partir de 1994, a produtividade dessas águas passou a ser regulada pelas contribuições dos rios locais e pela drenagem continental, que é maior no período chuvoso da região NE (junho-julho). A ação das ondas na zona de arrebentação também é uma forçante importante para a resuspensão de sedimentos na coluna de água, nas áreas mais rasas da plataforma (OLIVEIRA et al., 2012). Como a atuação de ondas e ventos é mais intensa no período de outono-inverno, a maior resuspensão do fundo, por esses max 210

3 agentes, também pode contribuir para uma maior mistura da coluna de água e consequente aumento da CSM na plataforma durante o inverno. No talude a CSM é mais homogênea com valores 0,1 mg.m -3, mas ainda assim é possível observar uma variabilidade sazonal. As médias mensais mais altas ocorrem no inverno no setor nordeste da área de estudo. Este incremento de CSM pode estar associado à retração do giro subtropical do Atlântico Sul, com o enfraquecimento da estratificação térmica e o aprofundamento da camada de mistura, injetando novos nutrientes na zona eufótica. O aumento da profundidade da camada de mistura (PCM) ocorre com a diminuição da insolação e o aumento do estresse do vento (SIGNORINI et al., 2004; LONGHURST, 2007). No verão (dezembro-março), com a diminuição da PCM e a expansão do giro subtropical oligotrófico, a Água Tropical (AT) da Corrente Sul Equatorial (CSE) é a fonte de valores mais baixos de CSM. A maior insolação e a menor intensidade de ventos promove uma forte estratificação térmica que impede que os nutrientes se misturem na zona eufótica. Entretanto, ao sul da Bacia do SEAL é possível observar valores relativamente mais altos de CSM, principalmente na quebra de plataforma (Figura 1). Esta feição pode estar associada à ressurgência da Água Central do Atlântico Sul (ACAS), típica de primavera-verão, principalmente a sul de 20 o S (SILVA et al., 2009). Figura 1 Médias mensais espaciais de concentração de clorofila-a na superfície do mar calculadas a partir dos dados MODIS, referentes ao período julho de 2002 a julho de 2012, para a região da Bacia do SEAL e adjacências. Polígono e isóbata de 50 m (em preto) indicam os domínios de plataforma e talude para a extração das séries temporais. A série de médias mensais temporais de CSM referentes ao período (Figura 2) mostra maiores valores em julho na plataforma (1,29±0,55 mg.m -3 ) e no talude (0,08±0,01 mg.m -3 ). Os menores valores ocorrem no verão com CSM de 0,41±0,04 mg.m -3 na plataforma e 0,05±0,01 mg.m -3 no talude, em dezembro. 211

4 (A) (B) Figura 2 Séries temporais de médias mensais das concentrações de clorofila MODIS (CSM) do período julho de 2002 a julho de 2012 nos domínios de plataforma (A) e talude (B) na Bacia do SEAL. O ciclo sazonal do crescimento fitoplanctônico é um fator chave da bomba biológica do carbono e da transferência de energia para níveis tróficos mais altos (HENSON et al., 2009). O emprego de uma função Gaussiana para caracterizar a variabilidade temporal da CSM permite sumarizar a dinâmica do processo de floração fitoplanctônica e analisar a resposta aos forçantes físicos em diferentes escalas na Bacia do SEAL. A CSM modelada com o ajuste da função Gaussiana deslocada apresentou poucas diferenças em relação às curvas de médias temporais estimadas por satélite tanto para a plataforma como o talude (Figuras 3A e 3B). O erro máximo (absoluto) foi de 0,14 mg.m -3 em setembro na plataforma e 0,006 mg.m -3 em fevereiro no talude. O ciclo sazonal da CSM na Bacia do SEAL apresenta início do crescimento em março e pico máximo em junho, em ambos os domínios. Este ciclo é típico de águas tropicais de baixas latitudes onde o aumento da biomassa fitoplanctônica é iniciado em condições de menor estabilidade vertical da coluna de água permitindo que nutrientes de camadas mais profundas possam fertilizar as águas normalmente quentes e pobres da camada de mistura (DANDONNEAU e GOHIN, 1984). De acordo com Dandonneau et al. (2004), a CSM geralmente responde ao ciclo sazonal da energia solar que influencia fortemente o timing, a intensidade do fluxo vertical de nutrientes e a estabilidade vertical. Na plataforma há outros fatores que também influenciam os processos de mistura vertical e disponibilidade de nutrientes como a drenagem continental, precipitação e frente de marés (WANIEK et al., 2005; STRAMSKA, 2005). A maior precipitação aumenta a drenagem continental na plataforma do SEAL no outono-inverno, podendo influenciar o timing do crescimento fitoplanctônico. No entanto, a regularização da vazão do RSF diminuiu o potencial impacto do aporte fluvial na região costeira. Como a plataforma e o talude apresentaram padrões muito semelhantes, é provável que os processos de mistura pelo vento e aquecimento/esfriamento das águas sejam os fatores mais determinantes para o ciclo anual do crescimento fitoplanctônico na área de estudo. Outros fatores como a variação latitudinal da CSE mais ao norte e intrusões da ACAS mais ao sul também podem causar variações no ciclo sazonal em setores específicos da Bacia do SEAL e adjacências. CONCLUSÕES: Neste trabalho caracterizamos o ciclo fenológico fitoplanctônico na Bacia do SEAL utilizando séries temporais de dados MODIS. Esta abordagem exemplifica uma aplicação de sensoriamento remoto útil ao monitoramento ambiental do ecossistema pelágico desta região. AGRADECIMENTOS: Ao Ocean Biology Processing Group, do GSFC/NASA, pela produção e distribuição de dados de satélite da cor do oceano. Fonte financiadora Termo de Cooperação INPE/FUNCATE/PETROBRAS. 212

5 (A) (B) Figura 3 - Ajuste da Função Gaussiana deslocada às séries de CSM MODIS médias temporais no período julho de 2002 a julho de 2012, nas regiões de plataforma (A) e talude (B) na Bacia do SEAL. Notar diferenças na escala. REFERÊNCIAS: ANA, Agência Nacional de Águas, Disponível em: < 03/Set/2013. CAVALCANTE, V. M. M. Plataforma Continental: a última fronteira de mineração brasileira. Brasília: DNPM, p. DANDONNEAU, Y.; GOHIN, F. Meridional and seasonal variations of the sea surface chlorophyll concentration in the southwestern tropical Pacific (14 to 32 S, 160 to 175 E). Deep-Sea Research, v. 31, p , DANDONNEAU, Y.; DESCHAMPS, P-Y. ; NICOLAS, J.M.; LOISEL, H.; BLANCHOT, J.; MONTEL, Y.; THIEULEUX, F.; BÉCU, G. Seasonal and interannual variability of ocean color and composition of phytoplankton communities in the North Atlantic, equatorial Pacific and South Pacific. Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography, v. 51, n. 1 3, p , HENSON, S. A. ; DUNNE, J. P. ; SARMIENTO, J. L. Decadal variability in North Atlantic phytoplankton blooms. Journal of Geophysical Research, v. 114, n. C04013, KAMPEL, M. Caracterização do bloom anual de clorofila na Bacia de Campos (RJ) a partir de dados de satélite. In: SIMPÓSIO BRASILEIRO DE SENSORIAMENTO REMOTO, 16., 2013, Foz do Iguaçu. Anais... São José dos Campos: INPE, p CD-ROM. Disponível em: < Acesso em: 20 ago LONGHURST, A. The ecological geography of the sea. 2nd Edition, Academic Press, Elsevier, Amsterdam, New York p. OLIVEIRA, E. N., Impacto de barragens sobre a dispersão de matéria e a sustentabilidade da pluma costeira do Rio São Francisco (SE/AL): Análise especial e temporal por Sensoriamento Remoto. Tese (Doutorado em Geoquímica Ambiental) - Universidade Federal Fluminense, Niterói p. OLIVEIRA, E. N.; KNOPPERS, B. A.; LORENZZETTI, A. J.; MEDEIROS, P. R. P.; CARNEIRO, M. E.; SOUZA, W. F. L. A Satellite View of Riverine Turbidity Plumes on the NE-E Brazilian Coastal Zone. Brazilian Journal of Oceanography, v.60, n.3, p , PLATT, T.; SATHYENDRANATH, S. Oceanic primary production: estimation by remote sensing at local and regional scale. Science, v.241, p , SIEGEL, D.A.; DONEY, S.C.; YODR, J.A. The North Atlantic spring phytoplankton bloom and Sverdrup s Critical Depth Hypothesis. Science, v. 296, p , SIGNORINI, S.; HOOKER, S.; MCCLAIN, C. Bio-optical and geochemical properties of the South Atlantic Subtropical Gyre. NASA technical (December) SILVA, M.; ARAUJO, M.; SERVAIN, J.; PENVEN, P.; LENTINI, C. A. D. High-resolution regional ocean dynamics simulation in the southwestern tropical Atlantic. Ocean Modeling, v.30, n.4, p , STRAMSKA, M. Interannual variability of seasonal phytoplankton blooms in the north polar Atlantic in response to atmospheric forcing. Journal of Geophysical Research, v.110, p.1-17, WANIEK, J. J.; HOLLIDAY, N. P.; DAVIDSON, R.; BROWN, L.; HENSON, S. A. Freshwater control of onset and species composition of Greenland shelf spring bloom. Marine Ecology Progress Series, v.288, p.45-57,