Color del océano

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Reloj a la izquierda: agua azul profunda, agua verde azul, imagen satelital de las Bahamas, donde la luz del sol refleja arena y arrecifes en los sauces, imagen satelital de la floración de fitoplancton en el Océano Sur, imagen satelital de las Islas Pribilof mostrando tonos de color de diferentes fitoplancton, e imagen satelital del Mar Báltico con floraciones de fitoplancton.

El color del océano es la rama de la óptica oceánica que estudia específicamente el color del agua y la información que se puede obtener al observar las variaciones de color. El color del océano, aunque principalmente es azul, en realidad varía de azul a verde o incluso amarillo, marrón o rojo en algunos casos. Este campo de estudio se desarrolló junto con la teledetección del agua, por lo que se centra principalmente en cómo se mide el color mediante instrumentos (como los sensores de los satélites y los aviones).

La mayor parte del océano es de color azul, pero en algunos lugares el océano es azul verdoso, verde o incluso amarillento o marrón. El color azul del océano es el resultado de varios factores. En primer lugar, el agua absorbe preferentemente la luz roja, lo que significa que la luz azul permanece y se refleja fuera del agua. La luz roja se absorbe con mayor facilidad y, por lo tanto, no alcanza grandes profundidades, generalmente a menos de 50 metros (164 pies). La luz azul, en comparación, puede penetrar hasta 200 metros (656 pies). En segundo lugar, las moléculas de agua y las partículas muy pequeñas en el agua del océano dispersan preferentemente la luz azul más que la luz de otros colores. La dispersión de la luz azul por el agua y las partículas diminutas ocurre incluso en el agua del océano más clara, y es similar a la dispersión de la luz azul en el cielo.

Las principales sustancias que afectan el color del océano incluyen materia orgánica disuelta, fitoplancton vivo con pigmentos de clorofila y partículas inertes como la nieve marina y los sedimentos minerales. La clorofila se puede medir mediante observaciones satelitales y sirve como indicador de la productividad oceánica (productividad primaria marina) en aguas superficiales. En imágenes satelitales compuestas a largo plazo, las regiones con alta productividad oceánica aparecen en colores amarillo y verde porque contienen más fitoplancton (verde), mientras que las áreas de baja productividad aparecen en azul.

Sinopsis

El color del océano depende de cómo interactúa la luz con los materiales del agua. Cuando la luz entra en el agua, puede ser absorbida (la luz se agota, el agua se vuelve "más oscura"), dispersada (la luz rebota en diferentes direcciones, el agua permanece "brillante"), o una combinación de ambas. La forma en que la absorción y dispersión submarinas varían espectralmente, o a lo largo del espectro de energía de la luz visible a la infrarroja (longitudes de onda de aproximadamente 400 nm a 2000 nm) determina qué "color" aparecerá el agua ante un sensor.

Tipos de agua por color

La mayoría de los océanos del mundo se ven azules porque la luz que sale del agua es más brillante (tiene el valor de reflectancia más alto) en la parte azul del espectro de luz visible. Más cerca de la tierra, las aguas costeras a menudo se ven verdes. Las aguas verdes se ven así porque las algas y las sustancias disueltas absorben la luz en las partes azul y roja del espectro.

Océanos azules

Una ola de color azul profundo vista desde la superficie del agua cerca de Encinitas, California, Estados Unidos. El Océano Pacífico contiene algunas de las aguas de color azul más profundas del mundo.

La razón por la que las aguas del océano abierto se ven azules es que son muy claras, algo similares al agua pura, y tienen pocos materiales presentes o sólo partículas muy pequeñas. El agua pura absorbe la luz roja con la profundidad. A medida que se absorbe la luz roja, la luz azul permanece. Grandes cantidades de agua pura se ven azules (incluso en una piscina con fondo blanco o en un balde pintado de blanco). Las sustancias que están presentes en las aguas del océano abierto de color azul son a menudo partículas muy pequeñas que dispersan la luz, dispersándola especialmente en las longitudes de onda azules. La dispersión de la luz en el agua azul es similar a la dispersión en la atmósfera que hace que el cielo se vea azul (llamada dispersión de Rayleigh). Algunos lagos de agua clara de color azul se ven azules por estas mismas razones, como el lago Tahoe en los Estados Unidos.

Océanos verdes

Un surfista corta a través de una ola verde de agua oceánica en Strandhill, Irlanda.

Las algas marinas microscópicas, llamadas fitoplancton, absorben la luz en las longitudes de onda azul y roja, debido a sus pigmentos específicos, como la clorofila-a. En consecuencia, a medida que aumenta la cantidad de fitoplancton en el agua, el color del agua se desplaza hacia la parte verde del espectro.

La sustancia que absorbe la luz más extendida en los océanos es el pigmento clorofila, que el fitoplancton utiliza para producir carbono mediante la fotosíntesis. La clorofila, un pigmento verde, hace que el fitoplancton absorba preferentemente las partes roja y azul del espectro de luz. A medida que se absorben la luz azul y roja, la luz verde permanece. Las regiones oceánicas con altas concentraciones de fitoplancton tienen tonos de agua que van del azul al verde según la cantidad y el tipo de fitoplancton.

Las aguas verdes también pueden tener una combinación de fitoplancton, sustancias disueltas y sedimentos, y aun así parecer verdes. Esto suele ocurrir en estuarios, aguas costeras y aguas continentales, que se denominan aguas "ópticamente complejas" porque son múltiples sustancias diferentes las que crean el color verde que ve el sensor.

Océanos amarillos a marrones

Imagen satelital Sentinel-2 de la confluencia del Río Negro y del río Solimões, Brasil. El Río Negro en la parte superior izquierda de la imagen está oscuro debido a altas concentraciones de materia orgánica disuelta de color (CDOM). El río Solimões en la parte inferior y derecha de la imagen es más brillante debido a grandes cantidades de sedimentos.

El agua del océano se ve amarilla o marrón cuando hay grandes cantidades de sustancias disueltas, sedimentos o ambos tipos de materiales.

El agua puede verse amarilla o marrón debido a la gran cantidad de sustancias disueltas. La materia disuelta o gelbstoff (que significa sustancia amarilla) se ve oscura pero relativamente transparente, como el té. Las sustancias disueltas absorben la luz azul con más fuerza que la luz de otros colores. La materia orgánica disuelta coloreada (CDOM) a menudo proviene de materia vegetal en descomposición en la tierra o en pantanos, o en el océano abierto del fitoplancton marino que exuda sustancias disueltas de sus células.

En las zonas costeras, la escorrentía de los ríos y la resuspensión de arena y limo del fondo añaden sedimentos a las aguas superficiales. Una mayor cantidad de sedimentos puede hacer que las aguas parezcan más verdes, amarillas o marrones porque las partículas de sedimento dispersan la energía de la luz en todos los colores. En grandes cantidades, las partículas minerales como el sedimento hacen que el agua se torne marrón si hay un evento de carga masiva de sedimentos, luciendo brillante y opaca (no transparente), muy similar a la leche con chocolate.

En el lago Boomanjin, Australia, las aguas están fuertemente coloreadas debido a taninos de árboles cercanos.
MODIS imagen satelital del sedimento del río Mississippi ciruela en el Golfo de México tras una serie de tormentas de lluvia en febrero de 2018 (imagen del 4 de marzo de 2018).

Océanos rojos

Red tide off Scripps Institution of Oceanography Pier, La Jolla, California, Estados Unidos.

El agua del océano puede verse roja si hay una floración de un tipo específico de fitoplancton que causa una decoloración de la superficie del mar. Estos eventos se denominan "mareas rojas". Sin embargo, no todas las mareas rojas son dañinas y solo se consideran floraciones de algas dañinas si el tipo de plancton en cuestión contiene toxinas peligrosas. El color rojo proviene de los pigmentos de los tipos específicos de fitoplancton que causan la floración. Algunos ejemplos son Karenia brevis en el Golfo de México, Alexandrium fundyense en el Golfo de Maine, Margalefadinium polykroides y Alexandrium monilatum en la Bahía de Chesapeake, y Mesodinium rubrum en el estrecho de Long Island.

Sensación remota de color océano

La teledetección del color del océano también se conoce como radiometría del color del océano. Los sensores remotos en satélites, aviones y drones miden el espectro de energía luminosa que proviene de la superficie del agua. Los sensores que se utilizan para medir la energía luminosa que proviene del agua se denominan radiómetros (o espectrómetros o espectrorradiómetros). Algunos radiómetros se utilizan sobre el terreno en la superficie de la Tierra en barcos o directamente en el agua. Otros radiómetros están diseñados específicamente para aviones o misiones satelitales en órbita terrestre. Mediante radiómetros, los científicos miden la cantidad de energía luminosa que proviene del agua en todos los colores del espectro electromagnético, desde el ultravioleta hasta el infrarrojo cercano. A partir de este espectro reflejado de energía luminosa, o el "color" aparente, los investigadores derivan otras variables para comprender la física y la biología de los océanos.

Las mediciones del color del océano pueden utilizarse para inferir información importante, como la biomasa de fitoplancton o las concentraciones de otros materiales vivos y no vivos. Los patrones de floraciones de algas observados por satélite a lo largo del tiempo, en grandes regiones hasta la escala del océano global, han sido fundamentales para caracterizar la variabilidad de los ecosistemas marinos. Los datos del color del océano son una herramienta clave para la investigación sobre cómo responden los ecosistemas marinos al cambio climático y las perturbaciones antropogénicas.

Uno de los mayores desafíos para la teledetección del color del océano es la corrección atmosférica, o sea, la eliminación de la señal de color de la neblina atmosférica y las nubes para centrarse en la señal de color del agua del océano. La señal del agua misma es menos del 10% de la señal total de luz que sale de la superficie de la Tierra.

Historia

Científicos incluyendo biólogo Ellen Weaver ayudó a desarrollar los primeros sensores para medir la productividad oceánica desde arriba, comenzando con sensores montados en aviones.

Se ha escrito sobre el color del océano durante muchos siglos, incluido el famoso "mar de color vino" del poeta griego Homero. Las mediciones científicas del color del océano se remontan a la invención del disco Secchi en Italia a mediados del siglo XIX para estudiar la transparencia y la claridad del mar.

En los años 1960 y 1970 se lograron importantes logros que condujeron a las modernas campañas de teledetección del color del océano. El libro de Nils Gunnar Jerlov, Optical Oceanography, publicado en 1968, fue un punto de partida para muchos investigadores en las décadas siguientes. En 1970, George Clarke publicó la primera evidencia de que la concentración de clorofila podía estimarse basándose en la luz verde frente a la azul proveniente del agua, medida desde un avión sobre George's Bank. En los años 1970, el científico Howard Gordon y su estudiante de posgrado George Maul relacionaron las imágenes de la primera misión Landsat con el color del océano. Casi al mismo tiempo, un grupo de investigadores, entre ellos John Arvesen, la Dra. Ellen Weaver y el explorador Jacques Cousteau, comenzaron a desarrollar sensores para medir la productividad del océano, comenzando con un sensor aéreo.

La teledetección del color del océano desde el espacio comenzó en 1978 con el exitoso lanzamiento del Coastal Zone Color Scanner (CZCS) de la NASA a bordo del satélite Nimbus-7. A pesar de que el CZCS era una misión experimental que se suponía que duraría sólo un año como prueba de concepto, el sensor continuó generando una valiosa serie temporal de datos sobre sitios de prueba seleccionados hasta principios de 1986. Pasaron diez años antes de que se dispusiera de otras fuentes de datos sobre el color del océano con el lanzamiento de otros sensores, y en particular el Sea-viewing Wide Field-of-view sensor (SeaWiFS) en 1997 a bordo del satélite SeaStar de la NASA. Los sensores posteriores han incluido el Moderate-resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) de la NASA a bordo de los satélites Aqua y Terra, y el Medium Resolution Imaging Spectrometer (MERIS) de la ESA a bordo de su satélite medioambiental Envisat. Recientemente se han lanzado varios nuevos sensores de color del océano, entre ellos el Indian Ocean Colour Monitor (OCM-2) a bordo del satélite Oceansat-2 de ISRO y el Korean Geostationary Ocean Color Imager (GOCI), que es el primer sensor de color del océano que se lanza a bordo de un satélite geoestacionario, y el Visible Infrared Imager Radiometer Suite (VIIRS) a bordo del Suomi NPP de la NASA. Varias agencias espaciales tienen previsto fabricar más sensores de color del océano durante la próxima década, incluida la obtención de imágenes hiperespectrales.

Aplicaciones

La radiometría del color del océano y sus productos derivados también se consideran variables climáticas esenciales fundamentales, según la definición del Sistema Mundial de Observación del Clima. Los conjuntos de datos del color del océano proporcionan la única perspectiva sinóptica global de la producción primaria en los océanos, lo que permite comprender el papel de los océanos del mundo en el ciclo global del carbono. Los datos del color del océano ayudan a los investigadores a mapear información relevante para la sociedad, como la calidad del agua, los peligros para la salud humana como las floraciones de algas nocivas, la batimetría y la producción primaria y los tipos de hábitat que afectan a las pesquerías de importancia comercial.

Clorofila como un proxy para el fitoplancton

Composites de larga temporada de concentraciones de clorofila oceánica. Los colores púrpura y azul representan concentraciones inferiores de clorofila. Las naranjas y los rojos representan concentraciones más altas de clorofila. Estas diferencias indican áreas con menor o mayor biomasa de fitoplancton.
Concentración de clorofila por satélite (mg m)−3) de julio de 2002 a marzo de 2017. Esta visualización se derivaba utilizando datos del Espectrodiómetro de Imágenes de Resolución Moderada (MODIS) a bordo del satélite Aqua de la NASA. La concentración de clorofila es un proxy para la abundancia de fitoplancton. Los tonos más oscuros de verde indican más clorofila y más fitoplancton, mientras que los tonos azules indican menos clorofila y menos fitoplancton.

La información más utilizada de la teledetección del color del océano es la concentración de clorofila-a obtenida por satélite. Los investigadores calculan la concentración de clorofila-a obtenida por satélite desde el espacio basándose en la premisa central de que cuanto más fitoplancton hay en el agua, más verde es.

El fitoplancton está formado por algas microscópicas, productores primarios marinos que convierten la luz solar en energía química que sustenta la red alimentaria oceánica. Al igual que las plantas terrestres, el fitoplancton crea oxígeno para otras formas de vida en la Tierra. La teledetección del color del océano, que se ha llevado a cabo desde el lanzamiento de SeaWiFS en 1997, ha permitido a los científicos mapear el fitoplancton (y, por lo tanto, modelar la producción primaria) en todos los océanos del mundo durante muchas décadas, lo que marca un avance importante en el conocimiento del sistema terrestre.

Otras aplicaciones

Los sedimentos sostenidos se pueden ver en imágenes satelitales después de eventos cuando vientos altos provocan ondas para agitar el fondo marino, como en esta imagen del lado occidental de la península de Yucatán. El agua de color marrón más oscuro muestra donde los sedimentos proceden de la tierra a través de los ríos, mientras que el agua de color más ligero muestra dónde los sedimentos proceden de las arenas de carbonato de calcio tiky en el fondo marino.

Más allá de la clorofila, algunos ejemplos de las formas en que se utilizan los datos sobre el color del océano incluyen:

Floraciones de algas nocivas

Los investigadores utilizan datos sobre el color del océano junto con datos meteorológicos y muestreos de campo para pronosticar el desarrollo y el movimiento de floraciones de algas nocivas (comúnmente conocidas como "mareas rojas", aunque los dos términos no son exactamente lo mismo). Por ejemplo, los datos MODIS se han utilizado para cartografiar floraciones de Karenia brevis en el Golfo de México.

Sedimentos en suspensión

Los investigadores utilizan datos del color del océano para mapear la extensión de las columnas de los ríos y documentar la resuspensión de sedimentos del fondo marino impulsada por el viento. Por ejemplo, después de los huracanes Katrina y Rita en el Golfo de México, se utilizó la teledetección del color del océano para mapear los efectos en alta mar.

Sensores

Los sensores que se utilizan para medir el color del océano son instrumentos que miden la luz en múltiples longitudes de onda (multiespectrales) o en un espectro continuo de colores (hiperespectrales), normalmente espectrorradiómetros o radiómetros ópticos. Los sensores de color del océano pueden instalarse en satélites o aviones, o utilizarse en la superficie de la Tierra.

Sensores de satélite

Los sensores que se muestran a continuación son sensores satelitales que orbitan la Tierra. El mismo sensor se puede montar en varios satélites para brindar una mayor cobertura a lo largo del tiempo (es decir, una resolución temporal más alta). Por ejemplo, el sensor MODIS está montado en los satélites Aqua y Terra. Además, el sensor VIIRS está montado en los satélites Suomi National Polar-Orbiting Partnership (Suomi-NPP o SNPP) y Joint Polar Satellite System (JPSS-1, ahora conocido como NOAA-20).

  • Escáner de color de la zona costera (CZCS)
  • Sensor amplio de campo de visión (SeaWiFS) en OrbView-2 (aka SeaStar)
  • Espectroradiometro de la resolución moderada (MODIS) sobre satélites Aqua y Terra
  • Espectrómetro de imágenes de resolución media (MERIS)
  • Polarization and Directionality of the Earth's Reflectances (POLDER)
  • Geostationary Ocean Color Imager(GOCI) on the Communication, Ocean, and Meteorological (COMS) satellite
  • Ocean Color Monitor (OCM) on Oceansat-2
  • Ocean Color and Temperature Scanner (OCTS) on the Advanced Earth Observing Satellite (ADEOS)
  • Multi Spectral Instrument (MSI) on Sentinel-2A and Sentinel-2B
  • Ocean and Land Colour Instrument (OLCI) on Sentinel-3A and Sentinel-3B
  • Visible Infrared Imaging Radiometer Suite (VIIRS) en los satélites Suomi-NPP (SNPP) y NOAA-20 (JPSS1)
  • Operacional Land Imager (OLI) en Landsat-8
  • Hyperspectral Imager for the Coastal Ocean (HICO) on the International Space Station
  • Precursore IperSpettrale della Missione Applicative (PRISMA)
  • Hawkeye en el SeaHawk Cubesat
  • Instrumento de color oceánico (OCI) y 2 polarímetros sobre el Plancton planificado, Aerosol, Cloud, Ocean Ecosystem satélite

Sensores aéreos

Los siguientes sensores fueron diseñados para medir el color del océano desde aviones para la teledetección aérea:

  • Espectrometro de Imágenes Visibles/Infrarrojos (AVIRIS)
  • Airborne Ocean Color Imager (AOCI)
  • Espectrometer portátil de imágenes remotas (PRISM) voló para el proyecto CORALS en el avión Tempus Applied Solutions Gulfstream-IV (G-IV)
  • Headwall Hyperspectral Imaging System (HIS)
  • Coastal Airborne In situ Radiometers (C-AIR) bio-optical radiometer package
  • Imágen Espectrográfico Compacto Airborne (CASI)

Sensores in situ

Un investigador utiliza un espectroradiometro para medir la energía ligera irradiada de un estanque de hielo en el Mar Chukchi en el verano 2011.

En la superficie de la Tierra, como en los buques de investigación, en el agua mediante boyas o en muelles y torres, los sensores de color del océano toman mediciones que luego se utilizan para calibrar y validar los datos de los sensores satelitales. La calibración y la validación son dos tipos de "verificación en tierra" que se realizan de forma independiente. La calibración es el ajuste de los datos brutos del sensor para que coincidan con valores conocidos, como el brillo de la luna o un valor de reflexión conocido en la superficie de la Tierra. La calibración, que se realiza durante la vida útil de cualquier sensor, es especialmente crítica en la primera parte de cualquier misión satelital, cuando el sensor se desarrolla, se lanza y comienza su primera recopilación de datos brutos. La validación es la comparación independiente de las mediciones realizadas in situ con las mediciones realizadas desde un satélite o un sensor aéreo. La calibración y validación satelital mantienen la calidad de los datos satelitales de color del océano. Hay muchos tipos de sensores in situ y los diferentes tipos a menudo se comparan en campañas de campo dedicadas o experimentos de laboratorio llamados "round robin". Los datos in situ se archivan en bibliotecas de datos como el archivo de datos SeaBASS. Algunos ejemplos de sensores in situ (o redes de muchos sensores) utilizados para calibrar o validar datos satelitales son:

  • Marine Optical Buoy (MOBY)
  • Aerosol Robotic Network (AERONET)
  • Instrumento PANTHYR
  • Trios-RAMSES
  • Compacto sistema de procesamiento óptico (C-OPS)
  • Instrumentos HyperSAS e HyperPro

Véase también

  • Color del agua
  • Óptica marina
  • Oceanografía
  • Teleobservación
  • Imágenes por satélite
  • Claridad del agua
  • Sensación remota de agua

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  • International Ocean Colour Coordinating Group
  • Página principal del Ocean Color de la NASA
  • Ocean Optics Web Book
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