New observational approaches for optically complex waters based on high-resolution transmissometry
Authors:   , Ramírez Pérez Marta 
Published: July 2023

There is a growing concern for protection and conservation of coastal ecosystems, which require a proper understanding of ecosystem dynamics and the ability to detect and predict changes in the ecosystem state. For this purpose, there is general agreement on the requirement of multidisciplinary and multiscale observing systems, due to the complex physical and biogeochemical processes occurring in these environments at a wide range of time-space scales. In this sense, optical-based approaches arise as powerful tools since they allow to assess biogeochemical constituents at high temporal and spatial resolution. Moreover, the recent development of cost-effective, hyperspectral, compact and low power optical sensors has broadened their observational capabilities by allowing the assembly on a variety of platforms and by reducing the operational costs. Among the different optical properties, the beam attenuation coefficient presents numerous advantages due to the general availability and simplicity of operation and data processing of the required instrumentation (i.e. transmissometers). In this context, this thesis seeks to improve the capabilities for coastal waters monitoring and assessment by developing new observational strategies based on high resolution beam attenuation measurements. With this aim, the reliability of a recent commercially available advanced-technology transmissometer (i.e. VIPER, TriOS GmbH) has been determined by analyzing the instrument uncertainties and performance. Despite some issues related to the thermal management of the LEDs and the contamination of ambient light, VIPER measurements have been validated in the field by comparison with other transmissometers. Then, to evaluate to what extent is possible to retrieve environmental information from these measurements, attenuation data collected in the Mediterranean estuary of Alfacs Bay have been analyzed against laboratory-derived biogeochemical variables. The analysis has successfully used three major spectral features of the beam attenuation coefficient as qualitative proxies for the biogeochemical variables: coloured dissolved organic matter (CDOM), Chlorophyll a (Chl-a) and total suspended matter (TSM), allowing the detection of changes and patterns in these variables at high temporal and spatial resolution. Thereby, high-frequency in situ beam attenuation measurements are proposed as cost-effective, rapid and simple method to better understand the complex physical and biogeochemical interactions in coastal environments. Nevertheless, there are numerous factors affecting the attenuation signal, which restrict the capability of these measurements to quantitatively assess the biogeochemical constituents and involve that complementary optical data are required. For this reason, an additional approach has been investigated by including spectral absorption measurements collected in situ with a dual spectrophotometer widely used by the scientific community. An inversion model of attenuation and absorption data has been developed based on local material-specific inherent optical properties to quantitatively estimate CDOM, Chl-a and mineral suspended solids in optically complex waters. The advantages of this approach lie in the simple input requirements, the avoidance of error amplification, full exploitation of the available spectral information and the reasonably successful retrieval of constituent concentrations. In summary, this thesis has proposed two complementary beam attenuation-based approaches for complex coastal waters. On one hand, cost-effective and compact transmissometers allow to determine the scales of variability in the in-water constituents, providing a comprehensive overview of the biogeochemical processes. On the other hand, this information is highly valuable to define the optimal sampling strategy to be adopted with more sophisticated optical sensors required to estimate the concentration of the biogeochemical variables in a water body.
Para la protección y conservación de los ecosistemas costeros es necesario un conocimiento exhaustivo de las dinámicas que los gobiernan. De esta manera se pueden desarrollar herramientas capaces de predecir y detectar cambios en su estado. Para ello, es necesario el uso de sistemas de observación multidisciplinares y multiescala, dada la complejidad de los procesos físico-biogeoquímicos y los numerosos cambios que se producen a diversas escalas espacio-temporales. Uno de los métodos más efectivos y utilizados para evaluar el estado biogeoquímico de las masas de agua a alta resolución espacio-temporal se basa en la medición de sus propiedades ópticas. Entre las distintas propiedades ópticas, la atenuación presenta numerosas ventajas, como por ejemplo la sencillez de uso y procesamiento de los instrumentos utilizados (los transmisómetros). En este contexto, el objetivo de esta tesis consiste en investigar nuevas técnicas de análisis de aguas costeras utilizando medidas de atenuación de la luz recogidas in situ a alta resolución espacio-temporal. En primer lugar, se ha determinado la fiabilidad de los datos recogidos por un transmisómetro de última generación caracterizado por su bajo coste y fácil manejo (VIPER, de TriOS GmbH). Los resultados aportan medidas fiables de atenuación en aguas costeras, a pesar de que este análisis también muestra una serie de limitaciones relacionadas con la gestión térmica de los LEDs y con la contaminación por luz ambiente. Una vez caracterizado el instrumento, se ha analizado el tipo de información ambiental que se puede extraer de estas medidas utilizando los datos de atenuación recogidos en la bahía mediterránea de los Alfacs y correlacionándolos con las variables biogeoquímicas obtenidas a partir de muestras discretas de agua. El estudio se basa en la utilización de tres parámetros calculados a partir del espectro de atenuación como indicadores de las tres principales variables biogeoquímicas (la materia orgánica disuelta coloreada -CDOM-, la clorofila-a y la concentración de material particulado). Esto ha permitido detectar cambios y patrones en dichas variables de una forma rápida, sencilla y económica. Este método se propone como una herramienta eficaz para entender las complejas interacciones físico-biogeoquímicas en las aguas costeras. Sin embargo, la señal de atenuación se ve afectada por la influencia de numerosos factores, lo que limita su capacidad para cuantificar los constituyentes biogeoquímicos e implica la necesidad de recurrir a medidas ópticas adicionales para lograr este fin. Por esta razón, se ha desarrollado otro método de observación que incluye, además de la atenuación, medidas de absorción, ambas recogidas con un espectrofotómetro doble ampliamente utilizado por la comunidad científica. Se ha desarrollado un modelo de inversión de los datos de atenuación y absorción basado en las propiedades ópticas inherentes específicas de cada constituyente, que fueron obtenidas a partir de muestras de agua de la zona de estudio (el mar de Liguria). Dicho modelo ha permitido cuantificar satisfactoriamente la concentración de CDOM, de clorofila-a y de partículas inorgánicas en aguas ópticamente complejas, utilizando datos de entrada muy sencillos y explotando toda la información espectral disponible. En resumen, esta tesis presenta dos aproximaciones basadas en medidas de atenuación que pueden considerarse complementarias. Por un lado, los transmisómetros de bajo coste y fácil manejo permiten determinar las escalas de variabilidad de los principales componentes biogeoquímicos para adquirir una idea global del funcionamiento del ecosistema. Por otro lado, esta información es de gran utilidad a la hora de definir la estrategia de muestreo a implementar con instrumentos más sofisticados que permitan cuantificar la concentración de dichas variables en zonas más localizadas.