On the circulation of the North Atlantic shadow zone
Authors:   , Peña Izquierdo Jesús 
Published: August 2023

Regions isolated from the wind-driven circulation are found in the eastern margins of the world's tropical oceans. The weak and stagnant circulation of these so-called “shadow zones”, in combination with the intense respiration of organic matter provided by the overlying highly productive waters, promotes the existence of large oceanic volumes with very low dissolved oxygen. These volumes are known as oxygen minimum zones (OMZs). The last decades of observations have revealed that OMZs are in general expanding, and thus potentially threatening the surrounding rich marine ecosystems. However, it is not clear whether this change is based on natural variability or it has an anthropogenic origin. Furthermore, under a global warming scenario, the future evolution of the OMZs is uncertain due to the complex interaction between the physical and biochemical processes that interplay in the OMZs dynamics.
This dissertation seeks to unravel the key elements of the circulation in the North Atlantic shadow zone, aiming to provide a deeper understanding of the physical components that rule the dynamics of the North Atlantic OMZ (naOMZ) -this being the less intense OMZ of the world ocean but the one that has experienced the largest expansion. A comprehensive description of the North Atlantic shadow zone circulation is presented from novel (CANOA08 cruise) and historic observations, including numerical outputs from the assimilative ECCO2 circulation model.
The main outcome of our work is that two markedly distinct regimes of circulation exist in the thermocline layers of the naOMZ, above and below ςϴ=26.8 kg m-3. In the upper layer, within the upper Central Water (uCW), the circulation is governed by the cyclonic regime of the subtropical cell. This stratum is characterized by relatively high oxygenation, with a predominance of South Atlantic Central Water (SACW). The lower layer, within the lower Central Water (lCW), presents a drastic decrease in the oxygen content due to its sluggish circulation; in contrast with the uCW, a mean anticyclonic circulation leads to a marked increase of North Atlantic Central Water (NACW). This result implies an equatorward transfer of mass from the subtropical gyre to the shadow zone, providing a previously unaccounted supply of oxygen from the well-ventilated subtropical thermocline. In fact, at the core of the naOMZ, the contribution of NACW is 50%. Such a mixture of SACW and NACW, with very low oxygen levels, is defined as the regional water mass of the naOMZ, the Cape Verde SACW (SACWcv).
A broad band of eastward flows is located between 10ºN and 20ºN, just south of the westward flowing North Equatorial Current. These flows, here referred as the Cape Verde Current system, emerge as the major contributor in the water mass supply to the naOMZ. Lagrangian simulation reveals that while in the uCW, most of the water supply occurs south of 10ºN, in the lCW, more than two thirds of the total water supply takes place north of 10ºN, through the Cape Verde Current system with a high contribution of water directly recirculated from the subtropical gyre. The accurate numerical reproduction of the water mass composition within the naOMZ thermocline, as directly deduced from particle-track Lagrangian simulations, supports the goodness of the ECCO2 velocity field.
The uCW and lCW strata not only exhibit opposite circulation patterns, they also present opposite large-scale vertical motions with predominant upwelling in the uCW as part of the subtropical cell regime while the lCW presents a broad downwelling pattern. We propose the existence of an inverse subtropical cell within the lCW dynamically coupled to the uCW regime. The major role these cells play in the circulation of the North Atlantic shadow zone, together with their substantial natural interannual and decadal variability, makes them major players on the oxygen anomalies observed during the last decades in the world OMZs
En los márgenes orientales de los océanos tropicales existen regiones aisladas de la circulación inducidad por el viento. La débil circulación de estas llamadas "zonas de sombra", en combinación con la intensa respiración de la materia orgánica que se produce en las productivas aguas superficiales, da lugar a la formación de Zonas de Mínimo Oxígeno (OMZs). Las observaciones durantes las últimas décadas muestran que las OMZs están en general expandiéndose, y por lo tanto representan una potencial amenaza por el rico ecosistema marino. Sin embargo, no está claro si este proceso se debe a variabilidad natural o tiene un origen antropogénico. Es más, en condiciones de cambio climático, la futura evolución de las OMZs no está clara debido a la compleja interacción entre los procesos físicos y bioquímicos que interactuán en la dinámica de las OMZs. Esta tesis busca desentrañar los principales elementos de la circulación de la zona de sombra del Atlántico Norte, con el fin de conseguir un mejor entendimiento de los componentes físicos que gobiernan la dinámica de las OMZ del Atlántico Norte (naOMZ) – la cual es la que presenta una menor extensión pero sin embargo es la que ha crecido más en comparación con el resto de las OMZs. Se presenta por tanto una completa descripción de la zona de sombra del Atlántico Norte utilizando observaciones tanto inéditas (campaña CANOA08) como históricas, junto con la salida del modelo asimilativo ECCO2.El principal aporte de este trabajo es la distinción de dos marcados regímenes de circulación dentro de la termoclina de la naOMZ, por encima y por debajo de σθ=26.8 kg m-3. En la capa superior, dentro de las Aguas Centrales superiores (uCW), la circulación está dominada por el régimen ciclónico de la célula subtropical. Esta capa se caracteriza por una relativamente alta oxigenación con una predominacia de Aguas Centrales del Atlántico Sur (SACW). La capa inferior, dentro de la aguas centrales inferiores (lCW), presenta una drástica reducción en el contenido de oxígeno debido a la débil circulación; en contraste con la ACs, un circulación anticlónica da lugar a un marcado aumento de Agua Central del Atlántico Norte (NACW). Este resultado implica una transferencia de masa hacia el sur desde el giro subtropical hacia la zona de sombra, representando un aporte de oxígeno desde la bien oxígenada termoclina subtropical el cual no se ha sido tenido en cuenta anteriormente. De hecho, en el núcleo de la naOMZ, la contribución de NACW es del 50%.Una ancha banda de corrientes que fluyen hacia el este se encuentra entre los 10ºN y los 20ºN, justo al sur la Corriente Norequatorial. Estas corrientes, aquí llamadas sistema de Corrientes de Cabo Verde aparecen como el principal contribuyente al aporte de agua a la naOMZ. Simulaciones lagrangianas revelan que mientras que en la uCW, la mayor parte del aporte de agua ocurre al norte de 10ºN, en la lCW, más de dos tercios ocurre al norte de 10ºN a través del sistema de Corrientes de Cabo Verde con una gran contribución de agua directamente recirculada desde el giro subtropical. La precisa reproducción de la composición de masas de agua, directamente deducida de las trayectorias numéricas lagrangianas, valida el campo de velocidades de ECCO2.La capas uCW y la lCW no sólo exhíben patrones de circulación opuestos, también presentan movimientos verticales a gran escala opuestos con predominancia de afloramiento en la uCW como parte de la célula subtropical mientras que la lCW muestra un patrón general de hundimiento. Proponemos por tanto la existencia de una célula subtropical inversa en la lCW dinámicamente acoplada al régimen de la uCW. El papel principal que desempeñan estas células en la circulación de la zona de sombra del Atlánico Norte, junto con su gran variabilidad interanual e interdecadal, las convierte en las principales candidatas para explicar las anomalías de oxígeno observadas durante las últimas decadas en las OMZs.