The role of turbulence on phytoplankton growth in the Ría de Vigo (NW Iberian Peninsula)

Abstract

Mussel production in the Galician Rías, which reaches 250000 tons per year and represents 95% of Spanish production and 50% of European production, is based on the high productivity of phytoplankton favored by the upwelling of nutrient-rich subsurface waters. The phytoplankton blooms take place when the conditions of light and nutrients availability are favorable. This availability is conditioned by the degree of turbulent mixing of the water column that determines the vertical movement of the cells and, therefore, their exposure to the light that penetrates from the surface. In addition, turbulent mixing takes part in the diffusion of nutrients from deep water to shallower layers, where they can be assimilated by phytoplankton. The classic Sverdrup model predicts that the North Atlantic spring bloom takes place when the mixed layer becomes shallower at the end of winter, allowing greater phytoplankton exposure to sunlight. Given the methodological impossibility of characterizing the mixing conditions at that time, the Sverdrup model assumes that the turbulence in the mixed layer is high enough to uniformize, on a short time scale, the properties within it. The technological development at the last decades has allowed to characterize the intensity of turbulent mixing in situ. The main objectives of this doctoral thesis are: (1) to characterize the turbulence at seasonal scale in the Ría de Vigo and determining the mechanish the mechanisms that generate it; (2) to study the relationship between the seasonal variability of the turbulent mixing and the phytoplankton growth; and (3) to study the role of turbulent mixing in the availability of light and nutrients in the phytoplankton growth.

La producción de mejillón en las Rías Gallegas, que alcanza 250000 toneladas anuales y representa el 95 % de la producción española y el 50 % de la europea, se sustenta en la elevada productividad del fitoplancton favorecida por el afloramiento de aguas subsuperficiales ricas en nutrientes. Las proliferaciones de fitoplancton tienen lugar cuando las condiciones de disponibilidad de luz y nutrientes son favorables. Esta disponibilidad está condicionada por el grado de mezcla turbulenta de la columna de agua que determina el movimiento vertical de las células y, por tanto, su exposición a la luz que penetra desde la superficie. Además, la mezcla turbulenta interviene en la difusión de nutrientes desde aguas profundas hacia las capas superiores, donde pueden ser asimilados por el fitoplancton. El modelo clásico de Sverdrup predice que la proliferación de primavera del Atlántico Norte tiene lugar cuando la capa de mezcla se hace más somera al finalizar el invierno, permitiendo una mayor exposición del fitoplancton a la luz solar. Ante la imposibilidad metodológica de caracterizar las condiciones de mezcla en aquel momento, el modelo de Sverdrup asume que la turbulencia en la capa de mezcla es suficientemente elevada para uniformizar, en una escala de tiempo corta, las propiedades dentro de la misma. El desarrollo tecnológico de las últimas décadas ha permitido que hoy sea posible caracterizar la intensidad de la mezcla turbulenta in situ. Los objetivos principales de esta tesis doctoral son: (1) caracterizar la turbulencia a escala estacional en la Ría de Vigo y determinar los mecanismos que la generan; (2) estudiar la relación entre la variabilidad estacional de la mezcla turbulenta y el crecimiento del fitoplancton; y (3) estudiar el papel de la mezcla turbulenta en la disponibilidad de luz y nutrientes en el crecimiento del fitoplancton.

A produción de mexilón nas Rías Galegas, que alcanza 250000 toneladas anuais e representa o 95 % da produción española e o 50 % da europea, susténtase na elevada productividade do fitoplancton favorecida polo afloramento de augas subsuperficiais ricas en nutrientes. As proliferacións de fitoplancton teñen lugar cando as condicións de disponibilidade de luz e nutrientes son favorables. Esta disponibilidade está condicionada polo grao de mezcla turbulenta da columna de auga que determina o movimento vertical das células e, polo tanto, a súa exposición á luz que penetra dende a superficie. Ademais, a mezcla turbulenta intervén na difusión de nutrientes dende augas profundas hacia a capas superiores, onde poden ser asimilados polo fitoplancton. O modelo clásico de Sverdrup predice que a proliferación de primavera do Atlántico Norte ten lugar cando a capa de mezcla faise máis somera ao finalizar o invierno, permitindo unha maior exposición do fitoplancton á luz solar. Ante a imposibilidade metodolóxica de caracterizar as condiciones de mezcla naquel momento, o modelo de Sverdrup asume que a turbulencia na capa de mezcla é suficientemente elevada para uniformizar, nunha escala de tempo corta, as propiedades dentro da mesma. O desenvolvemento tecnolóxico das últimas décadas permitiu que hoxe sexa posible caracterizar a intensidade da mezcla turbulenta in situ. Os obxetivos principais desta tesis doutoral son: (1) caracterizar a turbulencia a escala estacional nas Ría de Vigo e determinar os mecanismso que a xeneran; (2) estudar a relación entre a variabilidade estacional da mezcla turbulenta e o crecemento de fitoplancton; e (3) estudar o papel da mezcla turbulenta na disponibilidade de luz e nutrientes no crecemento de fitoplancton.