Neural networks and the seawater CO2 system. From the global ocean to the Ría de Vigo

A acumulación de GEI na atmosfera ten diversas consecuencias. A máis inmediata é o aumento da temperatura media do planeta. Este aumento determina múltiples cambios, destacando a alteración dos diversos fenómenos atmosféricos. Por outra banda, aproximadamente un 25% do CO2 emitido á atmosfera pasa a disolverse nos nosos océanos. Este feito provoca cambios na química da auga de mar, sendo o máis destacado a diminución do pH e dando nome ao proceso como acidificación oceánica.

Para comprender a acidificación oceánica, é necesario coñecer a química do sistema do CO2 na auga de mar. En primeiro lugar, é importante saber que este gas forma parte do ciclo do carbono, o cal representa os intercambios deste elemento a través de múltiples compartimentos (atmosfera, océano, litosfera e biosfera) e as cantidades contidas nestes. O ciclo do carbono foi alterado a través da queima de combustibles fósiles, dando lugar a cambios tanto nos fluxos como nas cantidades de cada compartimento.

A parte do ciclo do carbono enmarcada na auga de mar pode verse desde o punto de vista da entrada do CO2 no océano. Tras a disolución deste gas na auga, prodúcense unha serie de equilibrios químicos que dan lugar a diferentes especies como os ións bicarbonato e carbonato (CO32-) e tamén xerando ou consumindo ións hidróxeno (H+). Todos estes compoñentes inorgánicos do ciclo do carbono constitúen a maior parte do carbono presente no océano, principalmente en forma disolta. En concreto, ao carbono inorgánico disolto denomínaselle DEC, CT ou TCO2. A parte inorgánica está conectada coa parte orgánica a través dos procesos de respiración e fotosíntesis. Ambos os procesos enmárcanse no que se coñece como bomba biolóxica de carbono. Esta bomba representa o secuestro do carbono inorgánico no interior do océano mediada por procesos biolóxicos. A este secuestro tamén contribúen a bomba de solubilidade e a bomba de carbonato. A primeira representa os procesos fisicoquímicos que transportan DEC desde a superficie ao interior do océano e a segunda realiza este transporte mediante a produción de carbonato cálcico por parte de organismos calcificantes coa consecuente disolución nas profundidades.

Pero, como entra o CO2 no océano para logo sufrir os procesos detallados anteriormente? Esencialmente, o intercambio de CO2 entre a atmosfera e o océano está determinado pola súa concentración a ambos os dous lados da interfase. Por unha banda, existe un forzamiento controlado pola fotosíntesis e a respiración e polo cambio de temperatura. Por outra, o efecto do vento a través da súa velocidade, a súa dirección, as ondas superficiais ou a difusión molecular, son outras das causas que determinan a efectividade do intercambio de CO2 entre a atmosfera e o océano. En función de como sexa a diferenza de concentracións, existen zonas do océano que actúan como fontes de CO2 e outras como sumidoiros. En media, determinouse que o océano actúa como un sumidoiro neto de CO2.

O estudo do sistema do CO2 na auga de mar é de vital importancia para desentrañar diversos aspectos asociados a procesos biogeoquímicos clave como a produción de materia orgánica, a respiración, a calcificación ou a entrada de carbono antropogénico no océano. Un primeiro paso esencial é a recollida de datos asociados a este sistema. En concreto, hai catro variables fundamentais que se miden comunmente nas campañas oceanográficas: DEC, alcalinidade total (AT), presión parcial de CO2 (pCO2) e a concentración de H+, utilizada normalmente a través do pH. Existen bases de datos internacionais que recollen estas variables medidas nas últimas décadas ao longo dos océanos e que son de gran utilidade para a realización de diversos estudos, por exemplo o deseño de climatoloxías globais como as realizadas nesta tese doutoral. A pCO2 representa a fracción molar na fase gas do equilibrio entre a mostra de auga de mar e un volume de aire, multiplicada pola presión total do gas. Esta definición implica considerar ao CO2 como un gas ideal e por tanto realízanse certas correccións. A partir dela pódese obter o fluxo de CO2 entre a atmosfera e o océano, aínda que con certa incerteza debido aos erros asociados ás distintas parametrizacións realizadas para o forzamiento cinético. Na última década xeráronse climatoloxías globais superficiais de pCO2 nas que se mostrou tanto a súa variabilidade espacial como estacional e serviron de gran axuda para avaliar os intercambios de CO2 entre o océano e a atmosfera.

A AT representa o número de moles de ión hidróxeno equivalentes ao exceso de aceptores do devandito ión sobre as especies que o ceden. Esta variable é clave na determinación da capacidade de amortiguación dos cambios de pH na auga de mar. Tamén se xeraron climatoloxías globais de AT nas últimas décadas, sendo a mellora da súa incerteza, resolución espacial e temporal, un dos aspectos clave da presente tese doutoral. O DEC tamén é unha variable fundamental para analizar a capacidade de amortiguación da auga de mar antes mencionada. Do mesmo xeito que para a AT, xeráronse nas últimas décadas climatoloxías globais para contribuír ao desenvolvemento e ao avance do coñecemento do sistema do CO2 na auga de mar. Nesta tese tamén se propuxo o obxectivo de mellorar as devanditas climatoloxías.

Unha das variables máis representativas no proceso de acidificación oceánica é o pH. Este dá conta da acidez ou basicidade dunha disolución. Tamén se obtivo mediante distintas técnicas a súa distribución global, tanto na superficie como no interior do océano, para comprender mellor a súa variabilidade. O carbono antropogénico que entra no océano determinouse a través de distintos métodos para contribuír ao estudo da acidificación oceánica. En concreto, atopouse que as zonas de formación de masas de auga sofren unha maior acumulación de carbono antropogénico.

Ademais da redución do pH, a acidificación oceánica conleva outros cambios importantes na química da auga de mar, como o é a redución da concentración de CO32-. A través de medicións continuas durante décadas en determinadas localizacións do océano, determináronse as tendencias negativas do pH e do CO32-. Estas tendencias foron proxectadas cara ao futuro polo Panel Intergobernamental sobre o Cambio Climático (IPCC) asumindo distintos escenarios de emisións de CO2. Os resultados obtidos mostran que para a maior parte dos escenarios as tendencias seguirán sendo negativas, alcanzándose valores de pH para final do século XXI moi inferiores aos actuais.

Os citados cambios na química do océano teñen a súa repercusión na vida mariña. Demostrouse a través de múltiples estudos que organismos moi diferentes poden sufrir severas consecuencias. En concreto, os organismos calcificantes parecen ser os máis vulnerables, debido ás súas necesidades relativas ao CO32-. Con maior relevancia, mostráronse os posibles impactos que a acidificación oceánica pode determinar a nivel de comunidades e ecosistemas, como pode ser a perda de biodiversidade.

A nivel costeiro, os estudos que avalían a acidificación lanzaron resultados moi variables ao longo dos distintos ecosistemas costeiros. Isto é debido á gran variabilidade da química do CO2, determinada pola interacción de múltiples procesos que teñen lugar nestas zonas, como as descargas fluviais, os afloramientos, a eutrofización ou outros. Parte da economía das localidades costeiras provén da pesca, pero tamén doutros servizos que ofrece o mar. Por iso, os efectos negativos da acidificación ven inminentemente trasladados ao ser humano.

Os múltiples impactos asociados á acidificación demandan actuacións concretas e próximas no tempo para poder amortecer a maior parte destes impactos. Por iso, con esta tese doutoral preténdese contribuír a unha mellor comprensión do proceso de acidificación, tanto a nivel oceánico como costeiro. O obxectivo a nivel global consiste en xerar climatoloxías de variables do sistema do CO2, como a AT e o TCO2. Con elas preténdese mellorar a resolución espacial e temporal das publicadas con anterioridade á tese, ofrecendo así un punto de partida máis robusto para os modelos biogeoquímicos, pero tamén facéndoas dispoñibles para múltiples estudos. De forma secundaria a este obxectivo, quérese ofrecer unha ferramenta para poder computar tanto a AT como o TCO2 en calquera punto do océano a partir doutras variables oceanográficas. A nivel local, na Ría de Vigo, esta tese doutoral busca avaliar o proceso de acidificación construíndo series temporais de pH, AT, H+ e estado de saturación do aragonito (ΩAr). A partir destas series temporais preténdese determinar a variabilidade estacional de @dicha variables, as súas tendencias interanuais e tamén esclarecer cales son os procesos que controlan toda esta variabilidade.

O primeiro estudo realizado nesta tese doutoral é o relativo ao deseño da construción dunha climatoloxía global de AT e, por conseguinte, dunha rede neuronal capaz de obter esta variable en calquera lugar do océano cun baixo erro. É importante lembrar que este tipo de climatoloxías son unha ferramenta importante para profundar no coñecemento do ciclo do carbono. A AT é unha variable do sistema do CO2 na auga de mar implicada na acidificación oceánica e que é medida con frecuencia nas campañas oceanográficas. Para extraer as relacións entre as variables que controlan os cambios na AT e esta propia variable, utilizouse a base de datos Global Ocean Data Analysis Project versión 2.2019 (GLODAPv2.2019) xerando unha rede neuronal adestrada para poder computar AT a nivel global (NNGv2). O erro medio cuadrático (RMSE) obtido por NNGv2 sobre os datos de GLODAPv2 foi de 5,3 μmol kg-1. A validación levada a cabo nun conxunto de datos independentes aos utilizados para xerar a rede revelou a inexistencia dun sobreajuste dos datos de adestramento. O proceso de validación secundario levado a cabo en cinco series temporais oceánicas mostrou un rango de RMSE aceptable de 3 a 6,2 μmol kg-1. O éxito do modelado da variabilidade mensual de AT nas series temporais suxire que a NNGv2 é unha boa candidata para xerar unha climatoloxía mensual. A climatoloxía de AT obtívose alimentando a rede neuronal coas climatoloxías mensuais de temperatura, salinidade e osíxeno disolto do World Ocean Atlas 2013 (WOA13) e as climatoloxías computadas de nutrientes a partir das anteriores con outra rede neuronal xerada neste estudo. A resolución espazo-temporal é a determinada por WOA13: 1ºx1º na horizontal, 102 niveis de profundidade entre 0 e 5500m e unha resolución temporal mensual entre 0 e 1500m e anual entre 1550 e 5500m.

Unha vez xerada a climatoloxía de AT, levou a cabo o deseño da homóloga de TCO2. Como o océano almacena a maior parte do carbono do noso planeta, unha tarefa importante é desentrañar os procesos naturais e antropogénicos que controlan o ciclo do carbono a diferentes escalas espaciais e temporais. Por iso, co deseño da climatoloxía de TCO2 preténdese contribuír a este aspecto ao ofrecer unha base robusta para o modelado biogeoquímico, pero tamén para outros estudos asociados ao sistema do CO2. Unha rede neuronal (NNGv2LDEO) foi configurada para computar TCO2 a partir de variables oceanográficas que controlan a súa variabilidade no océano global. O adestramento da devandita rede realizouse coas bases de datos GLODAPv2.2019 e Lamont-Doherty Earth Observatory (LDEO). O RMSE alcanzado foi relativamente baixo: 7,2 μmol kg-1 en GLODAPv2.2019 e 11,4 μmol kg-1 en LDEO. De forma similar, obtivéronse erros baixos para conxuntos de datos independentes. A capacidade de NNGv2LDEO para capturar a variabilidade estacional do TCO2 foi avaliada con éxito en dez series temporais oceánicas localizadas en diversos réximes oceanográficos (RMSE obtido entre 3,6 e 13,2 μmol kg-1). A climatoloxía foi obtida pasando a través de NNGv2LDEO as climatoloxías mensuais de temperatura, salinidade e osíxeno disolto de WOA13, e as de fosfato, nitrato e silicato computadas a través doutra rede neuronal. A resolución da climatoloxía foi exactamente a mesma que a da AT e está centrada no ano climatolóxico 1995. A incerteza desta climatoloxía é baixa cando se compara cos valores climatolóxicos de TCO2 derivados dos datos medidos durante décadas nas estacións das series temporais analizadas. Ademais, unha climatoloxía de pCO2 computada a partir das de AT e TCO2 apoia a calidade destes produtos ao ter unha boa correlación con climatoloxías previas de pCO2 amplamente utilizadas para diversos estudos.

Nun terceiro bloque, a tese pasa do océano global a ter un carácter rexional, concretamente céntrase na Ría de Vigo. A variabilidade de curta e longa escala temporal do sistema do CO2 mostra grandes diferenzas entre distintos ecosistemas, derivado iso das características dos procesos que teñen lugar en cada localización. A gran variabilidade dos ecosistemas costeiros, a súa importancia ecolóxica e económica, a influencia antropogénica e o seu comportamento como fontes ou sumidoiros de CO2, manifestan a importancia de comprender os procesos que gobernan o sistema do CO2 a diferentes escalas espazo-temporais. Para alcanzar este reto, é necesario ter datos de alta frecuencia sostidos durante un período longo de anos en diferentes rexións. Desde a tese, preténdese contribuír a este aspecto configurando e adestrando dúas redes neuronais capaces de obter valores de pH e AT na Ría de Vigo por encima dos 50 m de profundidade. Os RMSE alcanzados foron de 0,031 unidades de pH e de 10,9 μmol kg-1 para a AT. Con ambas as redes xeráronse series temporais de pH e AT cunha frecuencia semanal entre 1992 e 2019, en sete puntos da Ría de Vigo e en tres rangos de profundidade (0-5 m, 5-10 m, 10-15 m). Estas series temporais representaron adecuadamente un conxunto de datos independentes. Unha primeira análise das series temporais mostrou unha alta variabilidade de curto termo, sendo máis elevada nas estacións interiores da Ría de Vigo. Os valores máis baixos de pH e AT obtivéronse para a zona interior, mostrando un aumento progresivo cara á zona externa da ría. O ciclo medio estacional tamén reflectiu o gradiente entre ambas as zonas, mostrando unha maior amplitude e variabilidade na zona interna para ambas as variables. Por outra banda, as tendencias de longo termo do pH mostraron que a acidificación na Ría de Vigo é maior que a típica para océano aberto, obténdose valores de -0,0019 unidades de pH por ano para a zona exterior e de -0,0032 unidades de pH por ano para a zona interior. As tendencias de longo termo para a AT foron de 0,39 μmol kg-1 por ano para a zona externa e de 2,86 μmol kg-1 por ano para a zona interna. Os resultados obtidos neste estudo mostran as condicións cambiantes tanto a nivel de curta escala temporal como de longa que sofre a Ría de Vigo. Ademais, móstrase unha clara diferenciación espacial entre a zona interna e a externa. As redes neuronais e a base de datos xeradas neste estudo ofrecen a oportunidade de avaliar o sistema do CO2 nunha contorna de alta importancia ecolóxica e económica como o é a Ría de Vigo e, sobre todo, de refinar os rangos das variables biogeoquímicas incluídas nos experimentos sobre acidificación.

Na parte final desta tese doutoral, levou a cabo un estudo sobre un primeiro achegamento á determinación dos procesos que establecen a variabilidade do sistema do CO2 na Ría de Vigo. Para iso obtivéronse series temporais de H+ e ΩAr, cunha frecuencia semanal entre 1992 e 2019 e nos mesmos tres rangos de profundidade que as anteriormente detallas, coa axuda de redes neuronais. Comprender a variabilidade destas dúas variables é de gran relevancia para coñecer as condicións presentes e evidenciar as futuras ás que os organismos da Ría de Vigo están e estarán sometidos. Atopouse unha variabilidade de curto termo moito maior que a típica para as zonas oceánicas tanto para H+ como para ΩAr, sendo maior na zona interna da Ría de Vigo. A amplitude do ciclo estacional variou entre 1,6E-09 e 4,1E-09 mol kg-1 para o H+ e entre 0,32 e 0,80 para ΩAr. En xeral, a variabilidade estacional de ambas as variables está controlada polo balance entre fotosíntesis e respiración, entre precipitación e disolución do carbonato de calcio e os cambios nas achegas de auga doce e a radiación solar. A acidificación sufrida pola Ría de Vigo revelouse a través da amplificación da variabilidade intra-anual atopada ao longo do tempo e das tendencias interanuais de 3,7E-11 a 9,3E-11 mol kg-1 por ano para o H+ e de -0,007 a -0,014 por ano para ΩAr. Estas tendencias de acidificación están controladas pola entrada de CO2 antropogénico desde a atmosfera e polo aumento da remineralización da materia orgánica que se produce na Ría de Vigo. A magnitude do proceso de acidificación e a gran variabilidade do sistema do CO2 mostrada neste estudo manifestan a necesidade de tomar accións para manter o valor ecolóxico e soster a viabilidade económica da Ría de Vigo, xa que antes de final de século os organismos deste ecosistema probablemente estean exposto a condicións ambientais críticas para a súa supervivencia.