Ανάπτυξη και εφαρμογή ενός οικολογικού μοντέλου στον θαλάσσιο χώρο της Μεσογείου και τεχνικές αφομοίωσης οικολογικών δορυφορικών δεδομένων
Authors: Καλαρώνη Σοφία 
Published: September 2021

Η Μεσόγειος αποτελεί μια «Μικρογραφία Ωκεανού» λόγω της μεγάλης ποικιλίας κλιματικών, φυσικών και βιογεωχημικών γνωρισμάτων της. Η υψηλή εξάτμιση, οι χαμηλές βροχοπτώσεις και οι σχετικά χαμηλές απορροές ποταμών, σε συνάρτηση με την θερμόαλη ανταλλαγή υδάτων στο στενό του Γιβραλτάρ, οδηγούν σε ολιγοτροφικές συνθήκες, ενώ νεότερες μελέτες έδειξαν ότι η πρωτογενής παραγωγή ακολουθεί μια φθίνουσα διαβάθμιση από τα δυτικά προς τα ανατολικά της Μεσογείου με κύριο περιοριστικό παράγοντα τον φώσφορο. Σημαντικές αλλαγές έχουν παρατηρηθεί τις τελευταίες δεκαετίες στις ατμοσφαιρικές, υδροδυναμικές και βιογεωχημικές συνθήκες του οικοσυστήματος της Μεσογείου που σχετίζονται με κλιματικές αλλαγές σε συνδυασμό με τις ανθρωπογενείς πιέσεις. Η διαρκώς αυξανόμενη παράκτια πληθυσμιακή και οικονομική ανάπτυξη αλληλοεπιδρά με τις φυσικές πιέσεις καθιστώντας το θαλάσσιο οικοσύστημα της Μεσογείου αρκετά ευαίσθητο σε οποιαδήποτε αλλαγή (πχ ευτροφισμός). Επομένως η κατανόηση των φυσικών, χημικών και βιολογικών μηχανισμών του θαλάσσιου οικοσυστήματος και η πρόγνωση της επίδρασης διαφόρων περιβαλλοντικών παραμέτρων (πχ θερμοκρασία, ρεύματα) σε αυτό κρίνεται αναγκαία ώστε να επιτευχθεί η αειφόρος εκμετάλλευση, η ορθολογική διαχείριση και η αποτελεσματική προστασία του.Στόχος της διδακτορικής διατριβής αποτελεί η ανάπτυξη και αξιολόγηση ενός αριθμητικού ομοιώματος προσομοίωσης των κατώτερων τροφικών επιπέδων (πλαγκτόν) του πελαγικού πλαγκτικού συστήματος, ικανού να περιγράψει την δυναμική του οικοσυστήματος της Μεσογείου. Ο συνδυασμός της πληροφορίας των διαθέσιμων μετρήσεων πεδίου βιοχημικών παραμέτρων και των προσομοιωμένων δεδομένων έχει ως σκοπό την κατανόηση και ποσοτικοποίηση των κύριων φυσικών και οικολογικών διεργασιών του οικοσυστήματος και της αλληλεπίδρασης μεταξύ τους σε ετήσια βάση. Επίσης, διερευνήθηκε η εφαρμογή μιας νέας μεθόδου αφομοίωσης δορυφορικών δεδομένων χλωροφύλλης-α από το προτεινόμενο μοντέλο και κατά πόσο βελτιώνει την προγνωστική του ικανότητα.Για τον σκοπό αυτό εφαρμόστηκε ένα τρισδιάστατο βιογεωχημικό ομοίωμα (European Regional Seas Ecosystem Model - ERSEM) συζευγμένο με ένα υδροδυναμικό ομοίωμα (Princeton Ocean Model - POM), το οποίο τροποποιήθηκε για να προσομοιώσει το θαλάσσιο οικοσύστημα της Μεσογείου. Παράλληλα, εφαρμόστηκαν τεχνικές αφομοίωσης δορυφορικών δεδομένων χλωροφύλλης-α από τη μονοδιάστατη μορφή του μοντέλου σε δύο περιοχές της Μεσογείου με διαφορετικά οικολογικά χαρακτηριστικά (παρατηρητήρια DYFAMED, ΒΔ Μεσόγειος και POSEIDON - E1 M3A, Κρητικό Πέλαγος). Η έρευνα επικεντρώθηκε στην εφαρμογή μια νέας μεθόδου για την αφομοίωση δορυφορικών παρατηρήσεων χλωροφύλλης-α με σκοπό την αποφυγή των σφαλμάτων της «κλασικής» προσέγγισης, δηλ. της αφομοίωσης των τιμών υπό μορφή επιφανειακών συγκεντρώσεων χλωροφύλλης-α. Η προτεινόμενη μέθοδος αφομοίωσης περιλαμβάνει την κατανομή ως προς το βάθος και ενσωμάτωση δορυφορικών παρατηρήσεων χλωροφύλλης-α σε τακτά χρονικά διαστήματα στο μοντέλο, λαμβάνοντας υπόψη την προσομοιωμένη χλωροφύλλη και τον προσομοιωμένο συντελεστή εξασθένισης φωτός. Τα δεδομένα πεδίου που χρησιμοποιήθηκαν για τις ανάγκες της διδακτορικής διατριβής αφορούν σε 8-ήμερες δορυφορικές SeaWiFS παρατηρήσεις συγκέντρωσης χλωροφύλλης-α και σε in-situ μετρήσεις πεδίου θερμοκρασίας, συγκεντρώσεων χλωροφύλλης και θρεπτικών αλάτων στην εύφωτη ζώνη. Τα in-situ δεδομένα συνελέγησαν από τη βάση δεδομένων των Ευρωπαϊκών προγραμμάτων CINCS (Pelagic–Benthic Coupling IN the Oligotrophic Cretan Sea, 1994–1995) και MATER (Mediterranean Targeted Project II — Mass Transfer and Ecosystem Response, 1996–1999), των ωκεανογραφικών παρατηρητηρίων DYFAMED (Βορειο-Δυτική Μεσόγειος) και POSEIDON E1-M3A (Κρητικό Πέλαγος) και την Ευρωπαϊκή βάση δεδομένων Seadatanet (Pan-European infrastructure for ocean and marine data management). Η επαλήθευση του μοντέλου ως προς την προσομοίωση του πελαγικού πλαγκτικού συστήματος πραγματοποιήθηκε μέσω της σύγκρισης με in-situ μετρήσεις πεδίου και δορυφορικές παρατηρήσεις. Λόγω του μεγάλου όγκου των δεδομένων, τα προσομοιωμένα δεδομένα συγκρίθηκαν με μετρήσεις πεδίου σε τέσσερις οικοπεριοχές της Μεσογείου. Η ομαδοποίηση σε οικοπεριοχές επετεύχθη μέσω μιας σταστιστικής μεθόδου, τη μέθοδο K-means (Cluster analysis) ομαδοποιώντας βάσει της προσομοιωμένης επιφανειακής θερμοκρασίας και συγκέντρωσης χλωροφύλλης-α και φωσφορικών.H ανάλυση των αποτελεσμάτων της 20-ετούς προσομοίωσης (έτη 1990-2009) του συζευγμένου τρισδιάστατου οικολογικού μοντέλου έδειξε ότι η πολύμορφη κυκλοφοριακή δομή της Μεσογείου σε συνδυασμό με την εποχική διακύμανση του θερμοκλινούς και της κατακόρυφης ανάμειξης των υδάτων, επηρεάζει σημαντικά τόσο τη χωρική κατανομή και χρονική εξέλιξη της πρωτογενούς και δευτερογενούς παραγωγής, όσο και τη δομή και λειτουργία του πελαγικού τροφικού πλέγματος. Το μοντέλο αναπαράγει επαρκώς τον εποχικό κύκλο και την χωρική κατανομή των θρεπτικών, πρωτογενούς και δευτερογενούς παραγωγής του πελαγικού πλαγκτικού συστήματος της Μεσογείου, η οποία είναι άρρηκτα συνδεδεμένη με την κυκλοφορία των υδάτων και τις αλλόχθονες εισροές θρεπτικών (Μαύρη θάλασσα, απορροές ποταμών). Κατά τη χειμερινή κατακόρυφη ανάμειξη των υδάτων το θερμοκλινές διασπάται με αποτέλεσμα θρεπτικά από τα βαθύτερα στρώματα να εφοδιάζουν την επιφανειακή εύφωτη ζώνη και κατ’ επέκταση να αυξάνεται η πρωτογενή παραγωγής στα επιφανειακά στρώματα της υδάτινη στήλης. Αντιθέτως, όταν το θερμοκλινές ισχυροποιείται η πρωτογενής παραγωγή περιορίζεται στο στρώμα λίγο πάνω από το θερμοκλινές όπου παγιδευμένο οργανικό υλικό διασπάται από τα ετερότροφα βακτήρια απελευθερώνοντας θρεπτικά, τα οποία ευνοούν την πρωτογενή παραγωγή. Το μοντέλο επίσης προσομοιώνει την παρουσία υπο-επιφανειακού μεγίστου συγκέντρωσης χλωροφύλλης-α (Deep Chlorophyll Maximum - DCM) κοντά στην κορυφή του τροφοκλινούς, κατά την περίοδο έντονης θερμικής διαστρωμάτωσης, με κάποια όμως υποεκτίμηση του βάθους όπου εντοπίζεται στην ΝΑ Μεσόγειο. Τα αποτελέσματα της ομαδοποίησης έδειξαν ότι η πιο παραγωγική οικοπεριοχή (οικοπεριοχή 2) είναι εκείνη που αφορά στις περιοχές (Θάλασσα Αλμποράν, απορροές ποταμών) που δέχονται εισροές υδάτων υψηλότερης, σε σχέση με τη Μεσόγειο, περιεκτικότητας σε θρεπτικά και χαμηλότερων θερμοκρασιών. Οι περιοχές που επηρεάζονται από τη κυκλωνική κυκλοφορία των υδάτων και θερμόαλα μέτωπα (Δυτική Μεσόγειος, Βόρειο Αιγαίο) ή που εντοπίζονται σχετικώς κοντά σε απορροές ποταμών (Βόρειο Αιγαίο) ομαδοποιήθηκαν στην αμέσως επόμενη ως προς την παραγωγικότητα οικοπεριοχή (οικοπεριοχή 4) καθώς εμφανίζουν έντονες φυτοπλαγκτικές ανθίσεις και σχετικά χαμηλές θερμοκρασίες, αν και υψηλότερες από την οικοπεριοχή 2, κατά την περίοδο ομογενοποίησης της υδάτινης στήλης. Τέλος, οι περιοχές ιδιαίτερα ολιγοτροφικού χαρακτήρα, δηλ. χαμηλή συγκέντρωση φωσφορικών και χλωροφύλλης και σχετικά υψηλή θερμοκρασία, ομαδοποιήθηκαν στις οικοπεριοχές 1 και 3, με την πρώτη να παρουσιάζει υπερ-ολιγοτροφικές συνθήκες (Νοτιο - Ανατολική Μεσόγειος, Oικοπεριοχή 1). Η επαλήθευση του μοντέλου ως προς προσομοίωση της θερμοκρασίας, χλωροφύλλης-α και θρεπτικών (φωσφορικών, νιτρικών) στις εν λόγω οικοπεριοχές απέδωσε ικανοποιητικά την κατακόρυφη κατανομή και εποχική διακύμανση των παραπάνω μεταβλητών του οικοσυστήματος με τιμές εντός του μετρούμενου εύρους τιμών. Παρά ταύτα, οι προσομοιωμένες συγκεντρώσεις θρεπτικών και χλωροφύλλης-α παρουσιάζουν μικρότερη διακύμανση τιμών σε σχέση με τα in-situ δεδομένα δηλώνοντας ότι το σύστημα είναι αρκετά ευμετάβλητο. Διαπιστώθηκε μια τάση υποεκτίμησης της πρωτογενούς παραγωγής και θρεπτικών στις πιο παραγωγικές περιοχές (οικοπεριοχή 2 και 4), γεγονός που σχετίζεται με την αβεβαιότητα που υπάρχει στις εισροές θρεπτικών (ποτάμιες απορροές, κατακόρυφη χειμερινή ανάμειξη).Σύμφωνα με τη χωρική κατανομή και χρονική διαδοχή των φυτοπλαγκτικών ομάδων όπως αυτή απεικονίζεται στα αποτελέσματα του μοντέλου, το πικοφυτοπλαγκτόν είναι η επικρατέστερη φυτοπλαγκτική ομάδα στην ανοικτή ολιγοτροφική θάλασσα της Μεσογείου (κυρίως στις οικοπεριοχές 1 και 3) και στη συνέχεια το νανοφυτοπλαγκτόν. Αρκετά μικρότερο είναι το ποσοστό συνεισφοράς των μεγαλύτερων φυτοπλαγκτικών οργανισμών (δηλ. διάτομα και δινομαστιγωτά) στη συνολική φυτοπλαγκτική βιομάζα, οι οποίοι εντοπίζονται σε πιο παραγωγικά συστήματα καθώς επωφελούνται από τις σχετικά υψηλές συγκεντρώσεις θρεπτικών (οικοπεριοχή 2 και οικοπεριοχή 4 κατά τη χειμερινή περίοδο). Ομοίως για τους ζωοπλαγκτικούς οργανισμούς, τα ετερότροφα νανομαστιγωτά είναι και τα επικρατέστερα ζωοπλαγκτικά είδη της Μεσογείου, ενώ τα μεγαλύτερα είδη (μικρο- και μεσο-ζωοπλαγκτόν) εντοπίζονται στις πιο παραγωγικές οικοπεριοχές (2, 4). Από τα προσομοιωμένα αποτελέσματα διαπιστώθηκε η τροφική προτίμηση του μεσοζωοπλαγκτού στα ετερότροφα είδη, δηλ. μικροζωοπλαγκτόν κατά την περίοδο θερμικής διαστρωμάτωσης, κυρίως στην ιδιαίτερα ολιγοτροφική Ανατολική Μεσόγειο. Το μικροζωοπλαγκτόν μολονότι περιλαμβάνει στη δίαιτά του τις περισσότερες λειτουργικές ομάδες, η εποχική διακύμανση της βιομάζας του υποδηλώνει τροφική προτίμηση προς τις μικρότερες πλαγκτικές ομάδες. Όσον αφορά στη λειτουργική ομάδα των ετερότροφων νανομαστιγωτών, η τροφική προτίμηση είναι ανάλογη με τα εκάστοτε κατά την εποχή επίπεδα θηράματος. Τέλος, το μοντέλο αποδίδει τις δύο μορφές της τροφικής αλυσίδας του οικοσυστήματος της Μεσογείου με την κυριαρχία του μικροβιακού βρόγχου και των μικρότερων πλαγκτικών ειδών και την «κλασική» τροφική αλυσίδα να επικρατεί κυρίως στις πιο παραγωγικές περιοχές κατά τις περιόδους όπου η διάθεση θρεπτικών είναι ιδιαίτερα υψηλή [οικοπεριοχή 2 και 4 (κατά τη χειμερινή περίοδο)].Η αφομοίωση δορυφορικών παρατηρήσεων χλωροφύλλης-α βελτίωσε την πρόγνωση του μοντέλου, κυρίως ως προς την επιφανειακή χλωροφύλλη-α. Η εφαρμογή της προτεινόμενης μεθόδου κατακόρυφης κατανομής και αφομοίωσης των δορυφορικών παρατηρήσεων χλωροφύλλης διαπιστώθηκε ότι ενισχύει την προσομοίωση της αφομοιωμένης μεταβλητής, δηλ. της χλωροφύλλης, βελτιώνοντας χαρακτηριστικά την κατακόρυφη κατανομή χλωροφύλλης-α σε περιοχές όπως η Βορειο - Δυτική Μεσόγειος (παρατηρητήριο DYFAMED) στις οποίες εντοπίζονται σχετικά υψηλές υπο-επιφανειακές συγκεντρώσεις χλωροφύλλης (DCM). Η επιτυχία στη λειτουργία της προτεινόμενης μεθόδου σχετίζεται με το βάθος όπου εντοπίζεται το μεγαλύτερο ποσοστό συγκέντρωσης χλωροφύλλης-α. Ως εκ τούτου,, η αφομοίωση των κατακόρυφων κατανομών βελτίωσε τα προσομοιωμένα αποτελέσματα χλωροφύλλης-α και θρεπτικών έως και το βάθος του DCM. Αντιθέτως, σε περιοχές όπως αυτή του Κρητικού Πελάγους (παρατηρητήριο POSEIDON - E1 M3A), όπου οι υπο-επιφανειακές μέγιστες συγκεντρώσεις χλωροφύλλης εντοπίζονται σε βάθος αρκετά μεγαλύτερο από το πρώτο οπτικό βάθος (90% της εύφωτης ζώνης), η προτεινόμενη μέθοδος είχε παρόμοια αποτελέσματα με τον κλασικό τρόπο αφομοίωσης.Συμπερασματικά, τα αποτελέσματα προσομοίωσης του μοντέλου έδειξαν ότι το προτεινόμενο αριθμητικό ομοίωμα είναι ικανό να αποδώσει τις κύριες βιοτικές και αβιοτικές συνιστώσες του πελαγικού συστήματος της Μεσογείου. Αποτελεί ένα διαχειριστικό εργαλείο ικανό να αποδώσει σημαντικές πληροφορίες επί της δυναμικής και λειτουργίας του οισυστήματος. Εκ παραλλήλου, μπορεί να εφαρμοστεί στο ευρύτερο πλαίσιο της διαχείρισης του θαλάσσιου οικοσυστήματος της Μεσογείου ώστε να δίνει απαντήσεις σε ερωτήματα σχετικά με τους μηχανισμούς που διέπουν τη δυναμική του οικοσυστήματος καθώς και την επίδραση διαφόρων περιβαλλοντικών πιέσεων, κλιματικών αλλαγών και ανθρωπογενών πιέσεων σε αυτό.