Archivo de agosto 20th, 2013

“Queremos dibujar el paisaje invisible del mar abierto”

En el segundo número del ICMAT Newsletter entrevistamos a Francesco d’Ovidio, investigador del Centro Nacional de Investigación Científica de Francia (CNRS), con motivo de su visita al centro dentro de un congreso de procesos no lineales en fluidos oceánicos y atmosféricos. D’Ovidio trabaja en la interfaz de la física y la biología y su investigación se centra en la relación entre la turbulencia de las corrientes marinas y las estructuras de los ecosistemas en el océano abierto. Mediante herramientas matemáticas trata de identificar los mecanismos físicos (transporte caótico, mezcla, segregación, etc.) y las estructuras principales que forman el paisaje invisible al que se ha de adaptar la vida y el comportamiento de los organismos marinos. Recuperamos la entrevista dentro de “Selección de los ICMAT Newsletter” del blog, en el que se destacan algunos contenidos de la publicación trimestral del ICMAT.

Francesco d’Ovidio

Ágata A. Timón// Segundo trimestre 2013.

¿Cuáles son sus principales intereses como investigador?

En este momento estudio la relación entre el transporte y los ecosistemas en el océano abierto.

¿Cómo llegó a estos temas?

Yo parto de una formación de físico. Me interesaban los sistemas complejos, por lo que había estudiado dinámica no lineal, teoría de sistemas dinámicos… Empecé a trabajar en modelización para la biología y después, con una estancia postdoctoral en el Instituto de Física Interdisciplinaria y Sistemas Complejos (IFISC) en Palma de Mallorca, comencé a interesarme por el transporte y mezcla caóticos en el océano. A partir de entonces esta ha sido la línea que ha tenido más importancia en mis carrera.

¿En qué sentido habla de ‘mezcla’?

 

El océano es un sistema turbulento, lo que se puede apreciar a distintas escalas espaciotemporales. Hay un sistema especialmente interesante en la escala de los 10 a los 100 kilómetros en el que en el campo de corriente se observan estructuras de flujo turbulento en rotación. Son los llamados ‘vórtices de mesoescala’, resultado de corrientes energéticas, que pueden tener un efecto de mezcla.

¿Cómo afectan estas estructuras a la dinámica del océano?

Los mismos contrastes que encontramos en la atmósfera a escalas de miles de kilómetros aparecen también en el océano a escalas de cientos de kilómetros. Vemos estructuras del campo de velocidad similares a un vórtice que probablemente determinan, por ejemplo, la distribución de clorofila, pero que influyen también en muchos más elementos del ecosistema. Mi trabajo consiste en encontrar las relaciones entre las corrientes (por tanto, su velocidad) y la distribución de ciertos factores de interés ecológico que van desde la clorofila a un tipo específico de fitoplancton, o también las estrategias de caza de los predadores.

Las corrientes son el equivalente a las montañas y a los ríos en el océano abierto.

¿Influyen también en el comportamiento de los habitantes del océano?

Se puede hacer una analogía con la ecología terrestre: las características físicas de un paisaje (una montaña, un rio…) estructuran el entorno. Los seres vivos que lo ocupan deberán adaptar su comportamiento de caza a las características diversas de ese ambiente. En el océano pasa algo similar: las corrientes –sobre todo las de mesoescala- son el equivalente a las montañas y a los ríos. La idea es dibujar este paisaje invisible de la superficie del mar abierto. Se tiene la idea de que el océano es uniforme, pero en absoluto es así.

¿Cómo es este paisaje oceánico?

En el océano abierto las estructuras son cambiantes. Cerca de las costas hay una  topografía fija que impone una estructura física. Pero los animales que viven en el océano abierto están en un paisaje dinámico en el que las montañas se mueven con una velocidad que no es en mucho inferior a la suya. Si el animal se queda quieto, puede estar en un valle y unas semanas después encontrarse en un desierto. Vivir en un sistema turbulento es una situación muy particular.

¿Qué conclusiones han obtenido de sus análisis?

Las grandes preguntas detrás de nuestra investigación están relacionadas con la ecología de la conservación. Queremos identificar las estructuras clave de la interacción entre animales y océano para hacer un seguimiento en torno al cambio climático y proteger las zonas que corren más peligro.

 Queremos identificar las estructuras claves de la interacción entre animales y océano, para hacer un seguimiento en torno al cambio climático y proteger las zonas que corren más peligro.

¿Cómo se estudian estas estructuras?

Una posibilidad es utilizar la dinámica no lineal. Desde el punto de vista matemático, la idea inicial es la de considerar el campo de velocidad (la corriente del océano) como un sistema dinámico. En este sistema hay regiones hiperbólicas y elípticas, y se localizan estructuras de transporte, como barreras, o zonas de confluencia de masas de agua, que se pueden identificar como estructuras matemáticas. Por ejemplo, las variedades inestables de los puntos hiperbólicos en el campo de velocidad juegan el papel de barrera de transporte.

¿Qué ventajas da este lenguaje?

Las matemáticas funcionan como gafas que permiten reconocer estructuras del campo de velocidad. Extraen cierta información interesante que muy difícilmente se pueden ver sin ellas. Así puedes entender cómo ciertos movimientos o distribuciones de los organismos marinos pueden estar correlacionados con las estructuras de transporte y mezcla generados por los campos de velocidad. [1]  Estas técnicas no las he inventado yo: existen en los sistemas dinámicos. Lo que nosotros intentamos desarrollar es la interfaz entre la comunidad de sistemas dinámicos y la oceanográfica.

Lo que nosotros intentamos desarrollar es la interfaz entre la comunidad de sistemas dinámicos y la oceanográfica.

¿Actualmente trabaja con matemáticos?

Estoy intensificando el contacto con ellos para buscar cómo aplicar las herramientas matemáticas que nos ayuden a entender cómo cambian los vórtices en relación al agua que tienen alrededor.

¿En que se puede aplicar esta investigación?

Es una cuestión muy importante en ecología. El fitoplancton es la base de la cadena trófica del océano y está disperso por todas partes. Sin embargo, hay zonas en las que está confinado, como en los vórtices, lo que parece determinar el comportamiento de los animales.

Por lo tanto, ¿las matemáticas ayudan también a entender el comportamiento de los animales?

Sí, en cierta manera. Las matemáticas son útiles para describir la conducta de los animales a través de las series temporales: cuándo están en fase de búsqueda, cuándo encuentran alimento, etc.

¿Qué le ha parecido este workshop [en referencia  2nd International Workshop on Nonlinear Processes in Oceanic and Atmospheric Flows, organizado el pasado verano en el ICMAT]?

Muy interesante, porque sirve de interfaz entre la dinámica no lineal y la geofísica. Es un punto de encuentro en el que profundizar en las cuestiones sobre las que se está trabajando actualmente y donde analizar cuáles son las herramientas matemáticas que podrían ser más útiles.

“Dinámica de fluidos para entender el océano austral”

En su faceta más experimental, Francesco d’Ovidio recoge las observaciones de satélites de las corrientes oceánicas, o de los tipos de fitoplancton, pero también ha participado en campañas oceanográficas que le han llevado hasta el océano Antártico en busca de mediciones in situ. Una vez sobre el modelo, los instrumentos principales provienen de la dinámica no lineal y la teoría de sistemas dinámicos.

Recientemente D’Ovidio ha participado en una investigación, algunos de cuyos resultados fueron publicados en la revista Nature el año pasado, en la que un equipo de investigadores internacionales describía la respuestas de los ciclos biogeológicos y del ecosistema del océano austral a la fertilización natural con hierro. Con este sistema se pretende fomentar la floración de fitoplancton, que sirve para captar el CO2 de la atmósfera y llevarlo al fondo oceánico. Aunque es una técnica que se utiliza habitualmente, sigue siendo muy debatida dentro de la comunidad científica y las escalas de tiempo de la captura del carbono no están del todo claras.

Por ello estos investigadores han hecho un seguimiento de las partículas depositadas desde la superficie del océano hasta su lecho en la zona de la corriente antártica circumpolar. Según sus resultados, una parte sustancial de la floración de biomasa se hunde más allá de los 1.000 metros, donde se queda aislada de la atmosfera durante cientos o miles de años.

La campaña oceanográfica KEOPS2, en la que se realizó la investigación, se alcanzaron estos resultados utilizó un nuevo sistema de muestreo basado en el reconocimiento en tiempo real de estructuras de transporte a través del análisis de datos de satélite y de boyas de superficie. Con esta investigación el equipo busca identificar nichos de la dinámica de fluidos que ofrezcan un entorno natural aislado para estudiar la evolución en el tiempo de procesos biofísicos, como son el crecimiento de plancton estimulado por el hierro o la exportación de CO2 atmosférico a través del hundimiento del fitoplancton.

Más información:

Página personal de Francesco d’Ovidio. http://www.locean-ipsl.upmc.fr/~dovidio/

Página del 2nd International Workshop on Nonlinear Processes in Oceanic and Atmospheric Flows.

http://ifisc.uib-csic.es/nloa2012/

Boletín ICMAT

El Instituto de Ciencias Matemáticas (ICMAT) lanza este boletín con el que quiere mostrar a la comunidad científica y a todos aquellos interesados en el avance de esta disciplina la actividad investigadora de excelencia que se lleva a cabo en el centro. En él se incluirán, además, contenidos matemáticos divulgativos dirigidos al público general. El boletín quiere ser un reflejo de lo que ocurre en el ICMAT y, de manera más amplia, en un centro de excelencia de investigación matemática. Se presentarán temas de interés relacionados con la investigación matemática actual, la actividad científica del centro y algunos de los perfiles desatacados de la comunidad científica.

Los autores de estos artículos son los propios investigadores del Instituto u otros matemáticos que colaboren con el ICMAT, además de un equipo especial dedicado a la comunicación de las matemáticas.

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Primer número. Primer trimestre 2013

Segundo número. Segundo trimestre 2013

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