Water mass variability in the eastern South Pacific and the ventilation of the oxygen minimum zone
Authors:   , Llanillo del Río Pedro José 
Published: August 2023

This dissertation aims at extending our knowledge of the ESP OMZ through two main approaches. The first approach is based on tracer analysis and inverse modeling techniques. Such techniques are applied to hydrographic datasets in order to examine the water mass structure, its variability and its role on the ventilation of the ESP OMZ. The second approach brings a more dynamical perspective to the study of the ventilation of the ESP OMZ, with the assessment of the annual-mean advective and turbulent oxygen transports into the ESP OMZ from Argo and dissolved oxygen datasets.
We describe the distribution of water masses offshore Chile, Peru and Ecuador and discuss their spreading pathways. A thorough characterization of the water masses has been accomplished, resulting in the first set of ESP water types accounting for inorganic nutrients and dissolved oxygen. The low oxygen waters that compose the ESP OMZ are mainly Equatorial Subsurface Water (ESSW). The ESP OMZ is ventilated from the south by the Antarctic Intermediate Water (AAIW) and by the shallower Subantarctic Water (SAAW). These water masses are transported into this region by the Peru Chile Current (PCC) or by the adjacent flow that forms part of the subtropical gyre.
We also examine the changes induced by two opposite phases of ENSO in water mass distribution and biogeochemical activity. During La Niña, vigorous upwelling promotes the rise in depth of the upper part of the ESP OMZ and denitrification strengthens in the subsurface layer. Furthermore, the upward displacement of isopycnals induced by La Niña favors the ventilation of a different depth range of the OMZ by the upper portion of the AAIW. The opposite occurs during El Niño conditions. We find that, with a larger oxygen supply, respiration increases balancing most of the extra oxygen gain. This suggests that there is an excess of organic matter waiting to be remineralized whenever oxygen supply increases slightly and this situation favors the maintenance of the ESP OMZ. Furthermore, our results show that AAIW flowed along shallower isopycnals in 2009 than in 1993. Such shoaling is not caused by the ENSO phenomenon and changes the way AAIW ventilates the ESP OMZ. This finding might explain why an increase in oxygen content has been reported between 200 and 700m off Chile.
A global picture of the main processes and predominant paths of oxygen supply into ESP OMZ is provided here for the first time. Two main advective routes are found, the traditional equatorial pathway and a previously unreported subtropical pathway. Remarkably, the subtropical pathway provides more net oxygen gain than the equatorial pathway at the core of the ESP OMZ. This finding challenges the common assumption that the ESP OMZ is only ventilated by the eastward flowing zonal currents of the Equatorial Current System. This result is endorsed by the independent water mass analyses accomplished in the first part of this dissertation where the fingerprint of AAIW and SAAW is clearly found in the ESP OMZ. In addition, an unreported eastward zonal current, located at intermediate depths between 12-15ºS, is found flowing all the way from the central Pacific into the ESP OMZ and its oxygen supply is quantified.
Mean advection dominates oxygen supply in the upper layers due to the large supply by the eastward flowing equatorial zonal currents. However, epineutral turbulent diffusion becomes the dominant term at levels deeper than ¿n = 26.75 kg/m3. The annual mean oxygen budget for the whole volume of the ESP OMZ is unveiled. Epineutral turbulent diffusion provides a net oxygen supply of 417.4 ± 43.0 kmol/s, advection supplies 292.7 ± 25.2 kmol/s and dianeutral turbulent diffusion provides 85.8 ± 17.6 kmol/s. The mean biological consumption of oxygen required to close the budget is 795.9 ± 195.0 kmol/s.
El Pacífico Suroriental (ESP) es una región clave del océano con influencia directa sobre el clima global. Dos claros ejemplos son el fenómeno de El Niño-Oscilación del Sur (ENSO), el cual sucede en el Pacífico pero altera el tiempo atmosférico a nivel mundial, y el reciente descubrimiento de que la ralentización observada desde el 2001 en el incremento de la temperatura media mundial se debe parcialmente a un fortalecimiento del afloramiento de aguas frías en el ESP. Durante la última década la comunidad científica ha puesto su atención en las zonas de mínimo de oxígeno (OMZs) del océano global, estando una de las más intensas localizada en el ESP. Las OMZs parecen estar expandiéndose con el cambio climático, esto amenaza la existencia de productivos hábitats marinos a la vez que provoca una pérdida del nitrógeno oceánico, y la pérdida de este nutriente debilita la productividad primaria oceánica y por tanto la capacidad del océano para secuestrar dióxido de carbono. Dentro de
las OMZs con núcleo subóxico, el nitrógeno disuelto es degradado y liberado a la atmósfera en forma de varios gases, uno de ellos es un gas de potente efecto invernadero, el óxido nitroso, y su emisión altera aún más el balance radiativo de la atmósfera.
Esta tesis tiene como objetivo principal avanzar en el conocimiento de la OMZ del ESP a través de dos estrategias principales. La primera estrategia está basada en análisis de trazadores y en el uso de modelos inversos. Estos modelos han sido aplicados a datos hidrográficos con el objetivo de averiguar la distribución de masas de agua, su variabilidad y su papel en la ventilación de la OMZ del ESP. En la segunda estrategia se estudia la ventilación de la OMZ del ESP desde la perspectiva de la dinámica, mediante el cálculo de los transportes promedios anuales de oxígeno por advección y por turbulencia a partir de datos de oxígeno disuelto y de perfiladores Argo.
En esta tesis se describe la distribución de masas de agua del océano abierto frente a Chile, Perú y Ecuador y se discuten las rutas que siguen al esparcirse por el océano. Para ello se ha realizado una caracterización rigurosa las propiedades (valores tipo) de las mismas. Se proporciona aquí el primer conjunto de valores tipo de nutrientes y oxígeno disuelto para las masas de agua presentes en el ESP. El agua pobre en oxígeno que constituye la OMZ del ESP es principalmente Agua Ecuatorial Subsuperficial (ESSW). Dicha OMZ se ventila desde el sur con Agua Antártica Intermedia (AAIW) y, a niveles más someros, con Agua Subantártica (SAAW). Estas masas de agua llegan a esta región transportadas por la Corriente de Perú-Chile (PCC) o por el flujo adyacente que forma parte del giro subtropical situado más al oeste.
También se describen los cambios inducidos en la distribución de masas de agua y en la actividad biogeoquímica por fases opuestas del fenómeno ENSO. El vigoroso afloramiento característico de La Niña produce una ascensión en profundidad de la parte superior de la OMZ del ESP a la vez que favorece el proceso de denitrificación en capas subsuperficiales. La Niña induce un desplazamiento hacia capas más someras de las isopicnas y esto favorece la ventilación de un rango de profundidades distinto de la OMZ del ESP con la parte superior de la AAIW. Durante El Niño sucede lo contrario. Por otro lado, se ha observado que la respiración aumenta cuando se incrementa el aporte de oxígeno a la OMZ, balanceando de esta manera la ganancia extra de oxígeno. Esto sugiere que existe un exceso de materia orgánica esperando a ser remineralizada en cuanto se produzca un ligero incremento en el aporte de oxígeno. Este exceso de materia orgánica favorece por tanto la estabilidad de la OMZ del ESP.
Nuestros resultados muestran que AAIW fluye en isopicnas más someras en 2009 respecto a 1993 y este cambio no es debido al fenómeno ENSO. Este cambio altera el patrón de ventilación de la OMZ del ESP por AAIW y podría ser la causa del incremento de oxígeno disuelto encontrado recientemente entre 200 y 700 m en el Pacífico chileno.
En esta tesis se proporciona la primera imagen global de los principales procesos y rutas de aporte de oxígeno a la OMZ del ESP. Se han encontrado dos rutas principales, la tradicional ruta ecuatorial y la inexplorada ruta subtropical. La ruta subtropical proporciona una mayor ganancia neta de oxígeno que la ruta ecuatorial en el núcleo de la OMZ del ESP. Este hallazgo desafía la asunción generalizada de que la OMZ del ESP se ventila únicamente por el Sistema Ecuatorial de Corrientes. Los análisis de masas de agua realizados en la primera parte de esta tesis de manera independiente respaldan dicho hallazgo al delatar la presencia de AAIW y SAAW en la OMZ del ESP.
Por otro lado, se ha descrito por primera vez una corriente que fluye hacia el este en capas intermedias entre 12-15ºS desde el Pacífico central hasta la región de la OMZ del ESP. El aporte de oxígeno de dicha corriente a la OMZ del ESP ha sido cuantificado aquí por primera vez. En lo referente al aporte de oxígeno, la advección es el término dominante en las capas superiores debido al gran aporte de las corrientes ecuaoriales zonales que fluyen hacia el este. Sin embargo por debajo de γn = 26.75 kg m-3, el término dominante es la difusión turbulenta epineutra de oxígeno. El balance medio anual de oxígeno para todo el volumen de la OMZ del ESP es el siguiente. La difusión turbulenta epineutra proporciona una ganancia neta de oxígeno de 417.4 ± 43.0 kmol s-1, la advección aporta 292.7 ± 25.2 kmol s-1 y la difusión turbulenta dianeutra la difusión turbulenta epineutra 85.8 ± 17.6 kmol s-1. Finalmente, el consumo biológico de oxígeno necesario para cerrar es 795.9 ± 195.0 kmol s-1.