Diapycnal Diffusivity

"From 1995 to 2000, daily integrated, water column phytoplankton primary production was estimated on a monthly basis at the CaTS (Caribbean Time-Series Station, 17°36’N, 67°00’W) using available algorithms that relate phytoplankton photosynthetic pigment biomass and available photosynthetic radiation (PAR). Average daily integrated primary production was between 132 and 750 mg C m-2 d-1. Annual production was 149 gC m-2 yr-1 and showed maxima in April, July, October and November. SeaWiFS derived chlorophyll-a concentrations for the Northeastern Caribbean Sea followed the same pattern.  Increases in primary production were associated to large PBS (or PBm), alphaB and ā*ph values during maximum influence of Amazon and Orinoco River plume waters. High vertical diffusivity values, kd > 6 X 10-3 m-2s-1, were measured between SEP-DEC 1997 and MAY-OCT 2000 in oceanic waters of the Mona Passage. These elevated diffusivities are associated with the presence of locally generated internal waves of semidiurnal frequency, with a reduction of the Richardson number at the base of the pycnocline, and with increased coastal seiches activity over the southwest coast of Puerto Rico. The patterns of activity are strictly correlated with the lunar cycle and with changes in the stratification of the Caribbean Surface Water (CSW). Increases in the stratification of the water column are due to the influence of the Amazon and Orinoco Rivers. Under the proper astronomical forcing and vertical stratification conditions energy from the barotropic tide at or near the shelf break is transferred offshore towards the generation of internal tides and shoreward into the platform waters consequently increasing the coastal seiche activity. Internal tides of near semidiurnal frequencies were observed in the euphotic zone. The development of K-H instabilities during the breaking of the internal tide can explain the formation of high diffusivity patches. Inside the patches (kd > 0.004 m2 s-1) increments in primary productivity of the order of 0.05 mg C m-3 h-1 were measured. The patches generated a NO3 flux equal to 1.058 x 10-4 mmol m-2 s-1 and can sustain a new production equal to 724 mg C m-2 d-1 or 264 g C m-2 yr-1.

Resumen

La integración vertical a lo largo de todo el día, de la productividad primaria del fitoplancton se estimó mensualmente entre el 1995 y el 2000 en la estación serial del programa CaTS (Caribbean Time-Series Station, 17° 36’ N, 67° 00’ 0) usando los algoritmos disponibles que relacionan la biomasa fotosintética del fitoplancton y la irradianza disponible para fotosíntesis (PAR).  La producción integrada promedio osciló entre 132 y 750 mg C m-2d-1.  La producción anual es alrededor de 149 g C m-2 año-1 y muestra una distribución con máximos cerca de abril, julio, octubre y noviembre.  Concentraciones de clorofila-a del Noreste del Mar Caribe determinadas por el teledetector satelital SeaWiFS imitan el mismo patrón.  Aumentos en productividad primaria se asocian a valores altos de PBS (ó  PBm), alfaB y ā*ph durante las épocas de mayor influencia de las aguas dispersas del Río Amazonas y Orinoco.  Valores altos de difusividad vertical, kd > 6 X 10-3 m2s-1, se registraron entre septiembre y diciembre del 1997 y mayo y octubre del 2000 en aguas oceánicas del Canal de Mona.  Estas difusividades altas están asociadas a la presencia de ondas internas de frecuencia semidiurna que se generan localmente en nuestras aguas, a la reducción en el número de Richardson y los aumentos en la actividad de seiches en la costa suroeste de Puerto Rico.  Los patrones de alta actividad están estrictamente correlacionados con el ciclo lunar y con cambios en la estratificación del agua superficial del Caribe.  Aumentos en la estratificación en la columna de agua se deben a la influencia del Río Amazonas y Orinoco.  Bajo las condiciones astronómicas y de estratificación apropiadas, la energía de la marea barotrópica en y cerca del veril es transferida fuera de la costa para la generación de la marea interna y hacia las aguas de la  plataforma insular provocando aumentos en la actividad de seiches costeros.  El desarrollo de la inestabilidad K-H durante el rompimiento de la marea interna puede explicar la formación de parches de alta difusividad.  Dentro de los parches (kd > 0.004 m2 s-1)  se observaron aumentos en producción primaria del orden de 0.05 mg C m-3 h-1.  Los parches generaron un flujo de NO3 igual a 1.058 x 10-4 mmol m-2 s-1 y que puede sostener una producción nueva de  724 mg C m-2 d-1 ó 264 g C m-2 año-1."

En octubre del 2000 durante la misión oceanográfica Mona Challenge en el R/V Chapman fue cuando descubrimos cerca de la picnoclina-una zona donde el cambio en densidad del agua con profundidad es máximo-que ésta capa mostraba un valor elevado del coeficiente de difusividad vertical turbulenta (> 4 x 10-3 m 2 s-1) a 64 m de profundidad. Además entre 90 m y 100 m de profundidad registramos valores entre 5 x 10-3 m 2 s-1 y 6 x 10-3 m 2 s-1. Estos valores superan unas 10 veces los valores esperados en el interior del océano. La estación oceanográfica ADCP-1 (18° 17.478' N, 67° 48.155' W), fue localizada a unas 10 millas náuticas al NNE de la Isla de Mona y a una profundidad de 481 m. Muy cerca al norte de la estación, se encuentra El Pichincho-una pequeña meseta a unos 250 m de profundidad-conocida como un área donde se genera una marea interna que puede alcanzar una altura de hasta 50 metros. Todo apuntaba que la marea interna era la responsable en generar la mezcla turbulenta que detectamos en ADCP-1. El interior del océano está establemente estratificado verticalmente debido a diferencias en densidad, donde las capas más densas están por debajo de las menos densas. Esta condición hace difícil la mezcla vertical. No obstante, olas no-lineales propagándose a los largo de la interface pueden erosionar esa estratificación vertical, provocando mezcla. La inestabilidad de cizalladura-el gradiente vertical de la velocidad de la corriente de la ola interna-es contrario al efecto estabilizador de la estratificación vertical por densidad y puede generar inestabilidad de Kelvin-Helmholtz (K-H), provocando así la mezcla turbulenta. La inestabilidad K-H es una inestabilidad primaria que se caracteriza por sus ondulaciones en forma de pronunciadas crestas rompiendo. El número Richardson de gradiente RiG=N 2 /S 2 cuantifica la tendencia a crecer de la inestabilidad K-H a pesar del efecto estabilizador de la estratificación vertical. Si el valor de RiG < 0.25 entonces podemos suponer que se genere la inestabilidad K-H. Valores reducidos del número de Richardson y altos valores del coeficiente de difusividad vertical turbulenta demostraron que una parte de la energía de la marea interna que se genera en el Pichincho se disipa mediante mezcla turbulenta en las inmediaciones del mismo y la otra parte se propaga hacia el Mar Caribe o el Océano Atlántico como una ola interna. La marea interna semidiurna es generada cuando las isopicnas son empujadas por la fuertes corrientes semidiurnas desviadas por la pendiente topográfica del Pichincho durante una parte del ciclo mareal. Cuando coinciden periodos de mareas vivas con condiciones de estratificación favorable para la generación de olas internas incrementa la altura de la marea interna. Por lo general, existen condiciones favorables a finales de septiembre, durante la marea equinoccial, también durante octubre y noviembre, cuando se reduce la profundidad de la picnoclina. Aumentos en la frecuencia boyante (frecuencia Brunt-Väisälä) a una profundidad de 300 m generalmente ocurren en mayo-junio y esto favorece la generación de olas internas en el Pasaje de la Mona. La cascada de pérdida de energía de la ola interna hasta desembocar en turbulencia comienza con la inestabilidad primaria K-H, pero no termina ahí, sino que se desarrollan inestabilidades secundarias en el interior de ésta.