Orientador(a) do corpo docente:
Henry Houskeper, Woods Hole Oceanographic Institute
Mentor(a) de pós-graduação:
Camille Pawlak, University of California, Los Angeles
Maria (Molly) McKellar, University of Wisconsin, Madison
A variabilidade interanual em kelps formadores de dossel e as condições ambientais nas quais esses kelps prosperam não foram estudadas extensivamente na região de Kamchatka, no leste da Rússia. Kelps que formam dossel promovem ecossistemas costeiros diversos e produtivos ao aumentar a resiliência costeira e sustentar comunidades ecológicas. Para entender melhor como os kelps na região de Kamchatka contribuem para esses efeitos, precisamos entender a dinâmica espaço-temporal e os fatores que dirigem as florestas de kelp na região. Neste estudo, avaliamos padrões espaço-temporais do dossel de kelp, incluindo a caracterização da climatologia e a avaliação de tendências de médio e longo prazo. Comparamos os padrões na dinâmica das florestas de kelp com parâmetros biológicos, como séries temporais de clorofila-a derivadas por satélite, bem como índices climatológicos, tais como a Oscilação Decadal do Pacífico (PDO) e a Oscilação do Giro do Pacífico Norte (NPGO). Novos dados do Kelpwatch, um conjunto de dados global que utiliza imagens de satélite Landsat, foram usados para mapear a área do dossel de kelp de 1999 até o presente com resolução trimestral. Este estudo é a primeira análise espacialmente resolvida de kelps formadores de dossel na região de Kamchatka. Séries temporais da área de kelp foram avaliadas em três sub-regiões correspondentes às margens leste, oeste e sul de Kamchatka. Constatamos que a extensão espacial do kelp em toda a região é máxima no terceiro trimestre, que abrange de 1º de julho a 30 de setembro e corresponde à porção final da estação de crescimento do hemisfério norte. Observamos que os padrões das florestas de kelp variam espacialmente, com a sub-região sul indicando uma tendência positiva na área do dossel ajustada climatologicamente. Correlações de Pearson indicaram uma forte relação entre fitoplâncton e dinâmica do kelp na sub-região sul, sugerindo talvez a importância do nitrato como um fator regional que controla a variabilidade das florestas de kelp. Foi encontrada uma correlação fraca entre PDO e NPGO em toda a região de Kamchatka e dentro das sub-regiões leste e oeste. Embora esses resultados apoiem a importância primária de nutrientes para a dinâmica das populações de kelp na região sul, mais trabalho é necessário para compreender os fatores que controlam a variabilidade de nutrientes em Kamchatka. Investigações adicionais da dinâmica subregional são justificadas, dadas as diferenças climatológicas e de mistura entre o Mar de Okhotsk e o Oceano Pacífico Ocidental, que fazem fronteira com Kamchatka. A temperatura da superfície do mar também pode impactar as florestas de kelp e deve ser considerada. Compreender os padrões e tendências regionais em Kamchatka fortaleceria nosso conhecimento sobre a variabilidade espaço-temporal do kelp em escala global e os principais controladores associados, incluindo a identificação de processos ou modos oceânicos e atmosféricos fundamentais. As descobertas que indicam tendências positivas da área de kelp na porção sul de Kamchatka justificam pesquisas e investigações futuras.
Grace Woerner, North Carolina State University
Temperaturas elevadas da superfície do mar (SST) em baixas latitudes estão associadas a maior intensidade e frequência de eventos de ciclones tropicais. Sistemas tropicais podem modificar ecossistemas marinhos superficiais, frequentemente em detrimento de comunidades costeiras e pescarias. Caracterizar as propriedades oceânicas antes e depois de eventos de tempestade pode fornecer insight sobre a mistura induzida pela tempestade e as respostas ecológicas correspondentes. No entanto, condições extremas durante tempestades tropicais podem dificultar a observação oceânica. Por exemplo, o sensoriamento remoto por satélite de SST e cor do oceano durante tempestades tropicais é prejudicado pela cobertura de nuvens e por distúrbios de superfície como o espumejamento (white capping). Este estudo combina observações de sensoriamento remoto por satélite com dados oceanográficos in-situ para caracterizar mudanças oceanográficas em concentrações de fitoplâncton e SST associadas a um ciclone tropical no Pacífico ocidental durante março de 2024 a abril de 2025. A clorofila-a é um pigmento presente no fitoplâncton e é comumente usado como proxy para estimar a abundância de fitoplâncton. Medições in-situ de clorofila-a e SST coletadas por flutuadores Argo foram usadas para validar observações de cor do oceano por satélite da missão PACE (Plankton, Aerosols, Clouds, ocean Ecosystem) da NASA e SST do conjunto de dados Multi-scale Ultra-high Resolution (MUR) antes e depois do Tufão ShanShan, equivalente a um furacão de categoria quatro. As observações do PACE indicam concordância com os dados dos flutuadores Argo, embora com um leve viés positivo e variabilidade nas condições pós-tempestade. Os dados de SST do MUR também corresponderam de perto às medições dos Argo. Constatou-se que a passagem do tufão não produziu uma anomalia detectável de clorofila-a. Essa descoberta foi investigada mais a fundo comparando mudanças na profundidade da camada misturada (MLD) e avaliando se a mistura induzida pela tempestade alcançou profundidades adequadas para aumentar significativamente as concentrações de nitrogênio na superfície, condição prévia para induzir um florescimento de fitoplâncton. Os resultados sugerem que, embora a MLD tenha se aprofundado, esse aprofundamento foi insuficiente em escalas regionais para trazer nitrato e outros nutrientes à superfície. Embora o Tufão ShanShan não tenha gerado mistura mais profunda que a nutriclina, tempestades mais poderosas ou ocorrendo em águas com nutriclinas mais rasas podem introduzir nutrientes na superfície com maior eficácia. Limitações como cobertura de nuvens para observação por satélite, além da frequência de amostragem, cobertura e disponibilidade de sensores nas observações de flutuadores Argo, ressaltam a importância da continuidade de observações multiplataforma para ambientes oceânicos a fim de avançar o conhecimento sobre os efeitos de ciclones tropicais em ecossistemas superficiais do oceano.
Alex Lacayo, Columbia University
O El Niño–Southern Oscillation (ENSO) é um padrão de oscilação em escala de bacia no Pacífico tropical que induz, por meio de teleconexões, variabilidade atmosférica e oceânica em escalas maiores. Eventos El Niño são fenômenos do ENSO definidos por temperaturas de superfície do mar (SST) anomalamente quentes em domínios do Pacífico de baixa latitude, e a expressão espacial e temporal dos eventos El Niño pode variar. Literatura recente estabeleceu diferenças distintas entre a expressão espacial das anomalias de SST associadas a eventos El Niño. Elevações de SST no Pacífico equatorial Central (muitas vezes chamadas de “Modoki”) e Leste, por exemplo, têm sido descritas como as chamadas “variedades” de El Niño e estão associadas a respostas diferentes em ambientes globais.
Este estudo investiga a relação entre a variabilidade do El Niño e o afloramento costeiro dentro da Zona Econômica Exclusiva (ZEE) do Peru, usando SST derivada por satélite como proxy. O afloramento costeiro é um motor vital de elevada produtividade biológica na ZEE peruana, sustentando uma das pescarias mais produtivas do planeta e o maior estoque de anchova mundial. Esta análise avalia anomalias de SST na ZEE peruana em função da dinâmica espaço-temporal da SST no Pacífico tropical durante o início e evolução de eventos El Niño ao longo das últimas três décadas. A análise é conduzida para dois domínios na ZEE peruana. O primeiro corresponde majoritariamente à costa com orientação norte-sul ao norte de Pisco, e o segundo à costa com orientação noroeste-sudeste ao sul de Pisco. Resultados preliminares são consistentes com eventos Modoki correspondendo a um aquecimento menos pronunciado no Peru durante os picos de El Niño, juntamente com um atraso na resposta de recuperação do afloramento pós-evento, em comparação com eventos do Pacífico Oriental. As conclusões indicam que o momento sazonal dos eventos El Niño modifica a intensidade das anomalias de temperatura na costa do Peru. A comparação subregional sugere que a ZEE norte do Peru é mais impactada pelo timing e pela variabilidade de posição do El Niño, provavelmente consistente com sua latitude mais baixa e exposição à propagação de ondas de Kelvin. Essas descobertas contribuem para o conhecimento de como diferentes expressões do El Niño influenciam os ecossistemas costeiros peruanos, o que é crucial para avaliar a resiliência dos ecossistemas e informar o manejo das pescarias costeiras.
Melanie Lin, Boston University
As florestas de kelp são valiosas para cidades e vilarejos costeiros porque sustentam ecossistemas marinhos, beneficiam economias e atenuam os efeitos de ondas e erosão. Este estudo visa compreender em que medida o radar de abertura sintética (SAR) pode ser usado para mapear com precisão a distribuição do kelp formador de dossel sul-africano, Ecklonia maxima, ou sea bamboo. Dados SAR foram obtidos do Sentinel-1, que tem tempo de revisitamento de cinco dias. Observações SAR usam ondas de rádio, que penetram nuvens, permitindo observações do habitat de florestas de kelp em qualquer condição de nebulosidade. Apesar do potencial do SAR para aumentar a disponibilidade de dados em dias nublados, existem menos produtos SAR para dossel de kelp—especialmente sea bamboo—em comparação com sensoriamento remoto óptico passivo, que é obstruído por nuvens. Observações SAR foram validadas por comparação com imagens ópticas classificadas manualmente obtidas pelo Airborne Visible Infrared Imaging Spectrometer – Next Generation (AVIRIS-NG), que foi voado no Gulfstream III da NASA em 2023 como parte do The Biodiversity Survey of the Cape (BioSCape). O BioSCape foi uma campanha integrada de campo e aerotransportada, em colaboração entre Estados Unidos e África do Sul, para estudar a biodiversidade da Great Cape Floristic Region (GCFR). Conjuntos de dados de sensoriamento óptico mais comumente usados também foram avaliados usando imagens do Landsat que foram classificadas com uma floresta aleatória (random forest). Esta pesquisa mostra que as observações SAR produzem valores distintos entre kelp e oceano, indicando potencial para usar dados SAR para mapear a extensão do dossel de kelp em condições oceânicas calmas. Observações SAR na polarização VH (transmissão vertical, recepção horizontal) indicam uma distinção maior entre kelp e água oceânica calma do que dados na polarização VV (transmissão vertical, recepção vertical). A sensibilidade e a responsividade das recuperações de florestas de kelp a partir de SAR dependem do estado das marés durante a aquisição dos dados. Em dados polarizados em VH, um estado de maré mais baixo favorece classificações mais precisas entre kelp e água oceânica calma do que um estado de maré alto. Ondas, que podem conter kelp por baixo delas, obscurecem a resposta de retroespalhamento do kelp em dados SAR. Este estudo melhora a compreensão da utilidade do SAR para mapear a extensão do sea bamboo, o que, por sua vez, apoia oportunidades futuras para desenvolver melhor entendimento da biodiversidade marinha e da resiliência costeira na GCFR, onde o sea bamboo é o táxon formador de dossel dominante.
John Lund, Adelphi University
Eddies oceânicos são movimentos circulares de água que se separam do fluxo principal e facilitam a transferência de energia oceânica em múltiplas escalas, sustentando interações biofísicas e modificando a dinâmica climática e oceânica. Eddies oceânicos correspondem a dinâmicas que abrangem processos geostróficos a ageostróficos, escalas espaciais de 0,1 a 100 km e escalas temporais de horas a meses. Eddies com escalas espaciais horizontais de 0,1 a 10 km e escalas temporais de horas a dias, denominados eddies submesoscalares, são difíceis de resolver por satélites legados devido aos requisitos de resolução espacial mais fina para observar características de menor escala. Por outro lado, eddies com escalas espaciais horizontais maiores e escalas temporais mais longas, denominados eddies mesoscalares, são mais prontamente resolvidos usando altímetros satelitais legados. Esta pesquisa utiliza observações do recentemente lançado Ka-band Radar Interferometer (KaRIn) do Surface Water and Ocean Topography (SWOT) para resolver eddies submesoscalares e quantificar a energia cinética associada. Contextualizamos nossas observações de SSHa usando o Data Unification and Altimeter Combination System (DUACS)—um projeto que mescla dados de satélite para observar campos mesoscalares mais grosseiros em escala global—para visualizar a dinâmica oceânica ao redor das passagens do SWOT de forma mais clara. Comparar a energia cinética associada a feições detectadas pelo SWOT com a estimada a partir dos dados DUACS apoia a compreensão aprimorada da importância relativa da submesoscala na transferência global de energia. Resultados desta investigação demonstram que o SWOT permite caracterizações de feições no limite superior da submesoscala para analisar dinâmicas oceânicas e cascatas de energia em momentos e locais específicos. Resolver a dinâmica temporal de feições submesoscalares continua desafiador devido ao ciclo de revisitamento de 21 dias do SWOT, o que também limita as caracterizações submesoscalares a passagens isoladas, mas observações inéditas do SWOT ainda assim oferecem oportunidades instantâneas para restringir o papel dos processos submesoscalares na transferência global de energia. Direções futuras com o SWOT incluem acoplar dados com modelos numéricos de alta resolução ou missões satelitais adicionais, como o PACE, para mapear uma região mais ampla e investigar controles-chave nas interações biofísicas associadas a processos submesoscalares.
Logan Jewell, State University of New York, Brockport
A variabilidade espaço-temporal no conteúdo de óleo do Canal de Santa Bárbara (SBC) corresponde ao escape natural de hidrocarbonetos e a derramamentos antropogênicos passados. A geologia marinha do SBC é caracterizada por uma reserva de hidrocarbonetos relativamente rasa e abundante sob anticlinais falhados que correm paralelos à costa. O escape natural ocorre quando a pressão na reserva excede a hidrostática, e bolhas gasosas revestidas de petróleo líquido vazam através do fundo do mar e entram no ambiente marinho. Como hidrocarbonetos gasosos e óleo são ambos mais leves que a água do mar, o escape se manifesta como manchas de óleo na superfície do oceano. Historicamente, o petróleo foi extraído da reserva por perfuração humana, potencialmente aliviando pressão na reserva, em locais como a Plataforma Holly, que operou no SBC de 1966 até o encerramento da produção em 2015. A Plataforma Holly está localizada a aproximadamente 3,2 quilômetros da costa e é a única plataforma de petróleo offshore em águas estaduais da Califórnia. Desde a desativação, o único mecanismo liberador de óleo nesta região das reservas de hidrocarbonetos é o escape natural. Neste estudo, aprendizado de máquina por meio de um modelo de random forest é utilizado para identificar e classificar regiões de manchas de óleo em imagens ópticas Sentinel-2 que abrangem a plataforma de petróleo desativada Holly e outras águas costeiras próximas a Santa Bárbara, CA. O modelo random forest foi desenvolvido para prever 3 classes, ou alvos: água limpa, turva e contaminada por óleo. O Sentinel-2 tem tempo de revisitamento de 5 dias, o que mitiga a obstrução por nuvens na região, e resolução espacial de 10 metros adequada para distinguir feições superficiais de pequena escala, como manchas. Seis imagens foram classificadas manualmente para treinamento, e a classificação usando o random forest apoiou mais 27 imagens classificadas. Uma análise temporal foi conduzida usando as 33 imagens combinadas, que abrangeram de 2019 até o presente para avaliar a variabilidade no escape de hidrocarbonetos a partir de 4 anos após a desativação até o presente. Resultados preliminares não indicam uma tendência na área da mancha de óleo natural de 2019 a 2025. Conduzimos testes de sensibilidade avaliando a covariância entre a área da mancha de óleo e medições de vento e marés e não encontramos correlação significativa com ventos ou marés. Imagens com maior frequência e abrangendo uma faixa temporal mais ampla poderiam ajudar a determinar melhor se a área da mancha de óleo está mudando ou se é estável ao longo do tempo.
