Caracterización acústica del hábitat marino en los alrededores de las Islas Livingstone y Decepción en el Estrecho de Bransfield, Antártida, durante el verano de 2019

En este estudio se propone realizar una investigación aplicada para caracterizar, utilizando principalmente métodos acústicos, el hábitat marino ubicado entre las islas Livingston y Decepción. La información a ser analizada proviene de la Campaña Científica Española en la Antártida EXPLOSEA‐1 como parte del proyecto: “Exploración de Emisiones submarinas de fluidos Hidrotermales, Mineralizaciones y Geobio‐sistemas asociados”.

Esta investigación se desarrolla gracias a la cooperación del IHMA con el Instituto Geológico, Minero y Metalúrgico (INGEMMET). La Investigadora Principal del Proyecto es la Bach. Teresa Pedemonte Reátegui.

I. INTRODUCCIÓN

El ecosistema marino antártico alberga una gran cantidad de fauna marina, desde fauna superior hasta pequeños microorganismos (Villarroel, 2016). Es por ello que es importante la identificación y cuantificación de las especies que albergan este ecosistema marino antártico, que es considerada una reserva alimentaria para la humanidad (Sánchez, 2007).

En la Antártida, el Estrecho de Bransfield se halla en la región FAO 48.1, que es una de las más importantes respecto a la distribución del krill antártico (Euphausia superba) (Agnew & Marín, 1994). Sin embargo, la zona ubicada en los alrededores de las Islas Livingston y Decepción ha sido menos estudiada que el Estrecho propiamente dicho, y también ha sido menos estudiado que la región alrededor de la Península Antártica e Isla Elefante.

En dicha zona es necesario realizar una caracterización del fondo marino que permita un análisis de la estructura sedimentaria de la zona, así como la identificación de geoformas, la clasificación del tipo de sedimento, los riesgos geológicos y los deslizamientos submarinos (Haniotis, 2010). Estos aspectos caracterizan dicha zona, que asimismo registra una significativa actividad volcánica. (Lawver et al., 1995)

En el ámbito de la biodiversidad, la caracterización de fondo marino y de las características de la columna de agua es de vital importancia, ya que en ella habitan especies que son clave para el océano austral como el Krill antártico, además de salpas entre otras especies del zooplancton (Quiñones et al., 2016). Asimismo, en la zona se llevan a cabo actividades de pesca de krill (Martínez, 2020), que ha viene cobrando creciente importancia bajo las regulaciones de la Convención para la Conservación de los Recursos Marinos Vivos Antárticos (CVVREMA) (Chong & Pavez, 2020).

Para la caracterización de ecosistemas acuáticos, los estudios hidroacústicos son pieza fundamental para responder a estas necesidades (Rodríguez, 2015). La hidroacústica nos permite adquirir una variedad de informaciones, que va desde la batimetría y la clasificación del fondo hasta la estimación de la abundancia y distribución de los organismos que habitan en la columna de agua, incluidas las macrófitas, el zooplancton y, los peces (Brandt, 1996).

Asimismo, para la cartografía de las condiciones térmicas, halinas y oxigenas a diversos estratos de profundidad en la zona de estudio se utilizará información oceanográfica, esto con el propósito de evaluar la posible existencia de relaciones respecto a la distribución vertical del krill, debido a que son organismos que realizan migraciones verticales en la columna de agua como parte de un ciclo nictemeral (Rivera & Giraldo, 2019), y factores como las condiciones físico-químicas, las relaciones interespecíficas, las particularidades de los ciclos de vida de las especies y su dispersión, etc., circunscriben las poblaciones a ambientes determinados (Boltovskoy, 1981; Castellvi, 1972; Wicstead, 1979).

1.1. Descripción y formulación del problema

La zona ubicada en los alrededores de la Isla Decepción, ubicada al oeste del Estrecho de Bransfield, es una zona volcánica y asimismo es una zona importante de distribución del krill antártico (Euphausia superba), aunque durante las campañas antárticas peruanas no se ha estudiado al krill en dicha área. Asimismo, para dicha región no existe una investigación que vincule la posible abundancia relativa del krill con las emanaciones del fondo marino. De otro lado, los efectos agregados del cambio climático, más las condiciones volcánicas de la región, justifican el desarrollo de una investigación que permita caracterizar la zona en sus condiciones biogeográficas, a fin de contribuir con los esfuerzos de la comunidad internacional para la conservación de los recursos marinos vivos antárticos.

Asimismo, no se ha cuantificado la abundancia de krill antártico (Euphasia superba) y zooplancton en los alrededores de Isla Decepción, Estrecho de Bransfield, Antártida. Asimismo, no existe una clasificación de tipo de fondos con información acústica monohaz en la zona de estudio.

Sin embargo, existen varios estudios bioacuáticos que describen una importante cantidad de Krill antártico en la zona en estudio (Murphy & Willis, 1988; Nowacek et al., 2011) pero no hay cuantificación acústica específica de la biomasa de krill antártico (Euphasia superba) en los alrededores de Isla Decepción e Isla Livingston ubicadas al oeste del Estrecho de Bransfield, Antártida, donde tampoco se ha llevado a cabo una batimetría tridimensional de la zona en estudio asimismo no hay una descripción de los patrones de migración vertical nictameral del krill y otros componentes del zooplancton.

Por las razones indicadas es conveniente desarrollar una línea de base que facilite el monitoreo futuro de la zona en estudio con propósitos de analizar la variabilidad de las características biogeográficas más resaltantes de la zona, lo cual es relevante para la modelización de escenarios futuros de cambio climático. La pregunta científica que se ha planteado es la siguiente: ¿Es posible hacer una caracterización acústica de las geoformas y características biogeográficas de los alrededores de la Isla Decepción?

1.2. Antecedentes

Una de las primeras aplicaciones submarinas de la acústica fue sondear los fondos (Remiro, 2019) reemplazando los cables-sonda el cual todavía al principio de siglo XX se usaba para medir la altura de la columna de agua debajo de un barco (Haniotis, 2010). Los métodos acústicos han ido evolucionando, por ejemplo, desde la tecnología monohaz a la multihaz con coberturas cada vez más amplias (Sánchez, 2012).

Así también, el primer uso de la acústica para la detección de peces se le atribuye a Kimura (Simmonds & Maclennan, 2005). Esto dio paso a la introducción de la técnica de ecointegracion para el procesamiento de los datos acústicos (Foote, 1982; 1983), que supuso el paso de utilizar métodos de análisis estadísticos y numéricos a la determinación cuantitativa de los recursos pesqueros a través de mediciones de ecointegración de la retrodispersión del sonido (Ventero 2016; Castillo et al., 2009).

La cantidad de energía acústica reflejada por los organismos presentes en la columna de agua es proporcional a su abundancia, por lo que si se conoce la cantidad de energía acústica que refleja un organismo puede calcularse la abundancia de dichos organismos (Castillo et al., 2009). La determinación de la cantidad exacta de energía que devuelve como eco un organismo motivó a los científicos e ingenieros a desarrollar nuevas tecnologías para medir la reflectividad acústica de los peces, y así realizar correctamente la conversión entre energía acústica y abundancia (número de individuos) (Medwin & Clay, 1977; Urick, 1983). La reflectividad acústica es, entonces, la cantidad de energía de sonido que un solo individuo aislado puede devolver bajo la forma de eco o retrodispersión (Rodríguez, 2015; Ventero, 2016).

Esta reflectividad acústica se conoce también como ‘Fuerza de blanco’ (o TS, en inglés, por su traducción ‘target strength’) (Ventero, 2016). El desarrollo de factores de corrección para compensar las pérdidas que sufre el sonido con la profundidad, así como la mejora de las técnicas de calibración estándar posibilitó un estudio más exhaustivo de las comunidades pelágicas (Fernandes et al., 2002). A finales de los años ochenta, se propuso el uso simultáneo de múltiples frecuencias. Esto, permitió a los científicos comprobar que la señal acústica reflejada por los distintos organismos presentes en la columna de agua, se ve influenciada por la frecuencia a la que son insonificados (Chu, 2011). Este descubrimiento supuso un gran avance en la interpretación de ecogramas, pues abrió la puerta a la detección y separación de distintos grupos ecológicos (Simmonds & MacLennan, 2005).

En el año 2004, Gutiérrez & Herbozo (2004) realizaron una clasificación del tipo de fondo marino empleando información de retrodispersión acústica obtenida durante un Crucero Paleoceanográfico entre las zonas de Hormigas de Afuera y Península de Paracas en el mar peruano. La investigación comprendió, como método de estudio, la ecointegración del fondo marino para posteriormente clasificar los tipos de fondo en función de su dureza.

De otro lado, Gutiérrez et al. (2016) realizaron una prospección de pequeña escala entre las islas Elefante, Clarence y Gibbs con la finalidad de medir la distribución, abundancia y proximidad de enjambres de krill (Euphausia superba) en relación con sus depredadores. El resultado más resaltante fue que la abundancia de krill fue la más baja medida por el Instituto del Mar del Perú (IMARPE) desde 1988; de otro lado, el ascenso del krill hacia la superficie implica una disminución temporal en su capacidad de retrodispersión acústica, lo que confirmaría que este fenómeno se explica por la variación temporal del ángulo de natación del krill durante sus migraciones verticales.

Recientemente, Valdez et al. (2022) realizaron la caracterización de agregaciones de krill (Euphasia superba) identificadas en el Estrecho de Bransfield y alrededores de la Isla Elefante, en la cual para la detección de agregaciones de krill se utilizaron dos frecuencias (38 y 120 kHz), hallándose un total de 22,221 agregaciones. Los descriptores acústicos fueron analizados a través de una correlación de Pearson. Para la caracterización de agregaciones de krill se aplicó un análisis de componentes principales (PCA), seguidamente de un agrupamiento jerárquico tomando en cuenta los parámetros físicos de temperatura, salinidad y oxígeno disuelto a escala interanual.

Muchos otros antecedentes están disponibles en la literatura científica relacionada con la Antártida, pero se ha citado lo que se considera como más relevante respecto a los objetivos de la investigación propuesta.

1.3. Objetivos

1.3.1. Objetivo General

Caracterizar el hábitat marino en los alrededores de las islas Livingston y Decepción al oeste del Estrecho de Bransfield, Antártida, empleando principalmente métodos acústicos.

1.3.2. Objetivos Específicos

Determinar las características térmicas, halinas y de saturación de oxígeno de la zona en estudio.
Construir la batimetría de la zona de estudio, así como realizar la detección de geoformas.
Determinar la relación entre la intensidad de la retrodispersión acústica y el tipo de sedimento y su relación con la biomasa marina presente en la zona de estudio.
Realizar identificación y cuantificación de especies vivas marinas, incluyendo peces, macrozooplancton y zooplancton en general.

1.4. Justificación

Este estudio se justifica por los posibles efectos agregados del cambio climático, más las condiciones volcánicas de la región de Isla Decepción, sobre los recursos vivos de la zona, principalmente el zooplancton y el krill antártico. La investigación que permita caracterizar la zona en sus condiciones biogeográficas, constituiría una línea de base para estudios futuros que son necesarios para evaluar los impactos del cambio climático y la actividad volcánica en la zona. Esta línea de base contribuirá con los esfuerzos de la comunidad internacional para la conservación de los recursos marinos vivos antárticos en una zona que hasta ahora ha sido poco estudiada.

Asimismo, por las razones indicadas en el párrafo anterior, se debe tener en cuenta la conveniencia de realizar una cuantificación acústica del krill antártico (Euphasia superba) y zooplancton en los alrededores de las Islas Livingston y Decepción en el Estrecho de Bransfield, Antártida. Del mismo modo, no existe una batimetría tridimensional de la zona en estudio empleando información acústica monohaz en la zona de estudio asimismo no hay una descripción de los patrones de migración vertical nictameral del krill y otros componentes del zooplancton en la zona de estudio.

1.5. Hipótesis

Es posible caracterizar acústicamente los componentes bióticos y no bióticos de los alrededores de la Isla Decepción.

II. MARCO TEÓRICO

2.1. Bases teóricas sobre el tema de investigación

2.1.2. Geología Marina

La geología es la ciencia que estudia la dinámica de los cambios de la Tierra a lo largo del tiempo, apoyándose en el análisis de rocas y observaciones de montañas, llanuras y fondos oceánicos para explicar tanto el origen de los continentes y océanos como la diversidad de las superficies terrestres (Iriondo, 2007). Cuando dichos estudios se aplican a la investigación de la corteza terrestre que está cubierta por las aguas oceánicas, se le denomina oceanografía geológica o geología marina (Cifuentes et al., 1997).

La geología marina se ocupa de todos los aspectos geológicos y los cambios que han sufrido desde la formación del planeta tierra de las plataformas, taludes continentales, de las cuencas oceánicas, así como las áreas costeras como playas, estuarios (EGDI, 2022; USGS, 2020). En consecuencia, para realizar investigaciones en geología marina se han desarrollado metodologías y equipos geológicos para estudios del fondo marino y la estructura geológica subyacente (Cifuentes et al., 1997) (Figura 1).

Por años, el enfoque principal de la geología marina ha estado en la sedimentación marina y en la interpretación de las muestras del fondo marino (Cifuentes et al., 1997; Britannica, 2020). Sin embargo, en la década del sesenta, se amplió el alcance del ámbito de la geología marina adentrándose en las investigaciones de las dorsales oceánicas, el magnetismo remanente de las rocas en el fondo marino, los análisis geoquímicos del fondo marino y la deriva continental (Britannica, 2020). Así como, la geomorfología, sistemas deposicionales, la paleoceanografía, la tectónica y evolución geodinámica de los márgenes continentales y cuencas oceánicas, las emisiones de fluidos y los recursos naturales (Medialdea & Somoza, 2018).

La geología marina además de apoyar actividades como la pesca, la extracción de hidrocarburos entre otros (Haniotis, 2010); proporciona datos geológicos marinos que son utilizados para conocer los peligros geológicos potenciales como erupciones volcánicas submarinas, tsunamis relacionados con terremotos y deslizamientos de tierra (Huhn et al., 2019). Importan no solo en la zona costera altamente dinámica, donde las actividades humanas en tierra y mar adentro ejercen una enorme presión sobre el medio ambiente, sino también en los océanos profundos (EGDI, 2022).

Figura 1

Equipos e instrumentos geológicos para estudios del fondo marino y la estructura geológica subyacente.

Nota: Observamos un buque científico con los principales instrumentos geológicos y equipos para la investigación del fondo marino. Tomado de INGEMMET (2019).

2.1.2. Hidroacústica

La hidroacústica es la única herramienta eficiente que permite estudiar el medio acuático más allá de la capa superficial de una manera remota (Cabreira, 2017). Debido a las propiedades físicas del océano, las ondas de luz solo pueden viajar unos pocos pies en el agua antes de que se absorba su energía (Cifuentes et al., 1997). Las ondas sonoras, por su parte, recorren grandes distancias bajo el agua sin perder fuerza, lo que convierte al sonido en un método muy eficaz para observar fenómenos geológicos y biológicos en el océano (NOAA, 2022). Entre las principales utilidades se encuentran la detección y localización de organismos, topografía submarina, localización de objetos, estudio de la densidad, biomasa y comportamiento de los peces (Sánchez, 2012; Cabreira, 2017).

2.1.3. Batimetría monohaz

La batimetría se refiere al levantamiento topográfico del relieve de superficies del terreno cubierto por agua, a partir de las mediciones de profundidad, sea este el fondo del mar o el fondo de los lechos de los ríos, humedales, lagos, etc. (IDS, 2020; IDEAM, 2018), para obtente las cartas o mapas batimétricos; también llamada cartografía marina (IDS, 2020). Existen diferentes técnicas para llevar a cabo la batimetría, las cuales ofrecen diferentes resultados en precisión y alcance (Ballestero, 2010; IDS, 2020). En el caso de utilizar una ecosonda monohaz, se obtiene la profundidad de un solo punto; a medida que avanza la embarcación, se obtiene la batimetría de una línea (Delgado, 2015).

2.1.4. Ecosonda monohaz

Es un equipo acústico de medición que emite un solo haz acústico, permite medir la distancia entre la superficie superior del agua y el fondo marino (Llorens, 2016; Delgado, 2015). Además, permite detectar fauna subacuática y obtener perfiles puntuales del fondo marino (Moreno, 2012; Delgado, 2015). Su principio de funcionamiento está basado en medir el tiempo que toma una onda acústica en recorrer la distancia entre el punto de partida y el fondo marino; y su retorno al punto de partida (Delgado, 2015) (Figura 2).

Figura 2

Funcionamiento del ecosonda monohaz en un buque

Nota: Adaptado de (Muhammad et al., 2019)

Los principales componentes básicos de la ecosonda científica monohaz son: (1) el transductor, que es el dispositivo encargado de convertir la energía eléctrica en energía acústica y viceversa (Ballestero, 2010); (2) la unidad Central de Procesamiento (CPU), el cual controla la tasa de emisión de sonido (“ping rate”) con la que se envían pulsos de sonido a través de la columna de agua (Ventero, 2016); (3) un “General Purpose Transceiver” (GPT) la cual es la unidad que genera los pulsos y procesa los ecos recibidos a través del transductor; y (4) una pantalla en la que la señal modulada de sonido es presentada en formato gráfico (Castillo et al., 2009) Figura 3.

El rango óptimo de frecuencias utilizadas en acústica submarina se extiende entre los 15 y 200 kHz, se elige en función al objetivo, naturaleza del fondo y profundidad (Delgado, 2015). Según la frecuencia, la ecosonda genera diferentes patrones de reflectividad frente a los también diferentes organismos detectados. Es por ello que, a través de un análisis multifrecuencia se puede identificar diferentes especies, y convertir los valores medidos en índices de abundancia (Moreno, 2012).

Figura 3

Componentes Básicos de un ecosonda

Nota: Esquema realizado para explicar el funcionamiento de un ecosonda. Tomado de Ventero (2016).

2.1.2. Principios de funcionamiento de los sistemas de clasificación acústica de fondos

La base empírica general para la clasificación acústica del fondo marino está bien establecida, aunque no existe una base teórica completa para describir la interacción del ping incidente con el fondo (Haniotis, 2010). Los sistemas de clasificación acústica del fondo utilizan ecosondas de haz amplio (ancho del haz típicamente de 12 a 55°) para obtener información sobre la «dureza» acústica (coeficiente de reflexión acústica) y la rugosidad acústica (como coeficiente de retrodispersión) del lecho marino (Pace et al., 1998).

En Pouliquen & Lurton (1992), describen un método fundado sobre el hecho de que los fondos duros producen un eco breve de gran amplitud, mientras que los fondos blandos producen un eco prolongado de amplitud más débil. La integral acumulada de la energía, en cada caso, tiene un aspecto diferente y es utilizada para discriminar los fondos.

En el caso de las ecosondas monohaz el análisis temporal de ecos recibidos permiten extraer información pertinente sobre las características de la interfase agua/sedimento (Figura 4) (Pouliquen & Lurton, 1994). Estas señales llevan, en efecto, la firma del barrido angular (aunque sobre un sector restringido) al reflejarse el pulso en el fondo (Haniotis, 2010).

Figura 4

Señal temporal registrada mediante una ecosonda monohaz sobre diferentes tipos de fondo

Nota: La arena y la grava reproducen aproximadamente la señal trasmitida, mientras que la roca produce ecos dispersos fuertemente fluctuantes debido a la rugosidad (Haniotis, 2010). Tomado de (Pouliquen & Lurton 1994).

Según Maclennan & Simmonds (1992), cuando el cambio en la impedancia acústica entre dos medios en el que se propaga una onda es brusco, la onda retrodispersada será más fuerte. La impedancia es menor en cuento sea mayor la densidad del medio en el que se propaga el sonido. En el caso del fondo arenoso, éste tiene menor impedancia que el agua, y un fondo rocoso ofrecerá una resistencia menor que los anteriores. De ese modo los valores Sv (volumen de retrodispersión) medidos por la ecosonda son proporcionales al tipo de fondo (Gutiérrez & Herbozo, 2004).

La magnitud del valor Sv del fondo marino es usualmente observada en un rango que va desde 0 a –50 dB (E. Josse, comunicación personal). Si el eco de fondo tuviera un valor de 0 dB y se le compara con uno de –50 dB, significa que el segundo es 100,000 veces menor en magnitud, es decir, mucho más “blando” (Gutiérrez & Herbozo, 2004). Esto hace posible una clasificación basada en la magnitud del eco que proviene del fondo, y a la vez tiene relación con los sedimentos y corteza terrestre (Gutiérrez & Herbozo, 2004).

2.1.2. Islas Decepción y Livingston en el Estrecho de Bransfield: Características generales

El estrecho de Bransfield es una cuenca marginal de trasarco se encuentra entre las Islas Shetland del Sur y la punta de la Península Antártica que está formada por una zona de separación progresiva (rifting) de la corteza continental (Lawver et al., 1995). Esta separación progresiva permite que se emplacen centros volcánicos activos subaéreos como la isla Decepción y como submarinos como la montaña submarina Orca (Figura 5) (INGEMMET, 2022).

La isla Decepción está situada al suroeste del archipiélago de las Shetland del Sur, Antártida (Baraldo, 1999). Junto a las islas Penguin, Bridgeman y otros volcanes sumergidos, constituyen el eje del rift que separa las Shetland del Sur de la península Antártica a lo largo del estrecho de Bransfield (Agusto et al., 2007). La isla Decepción es uno de los volcanes más activos de la Antártida con actividades eruptivas en tiempos históricos (Caselli et al., 2007). La zona tiene diversos sitios de actividad geotérmica, algunos con fumarolas (Smellie et al. 2002). Se cree que la actividad volcánica es el componente ambiental clave para controlar las poblaciones de invertebrados epibentónicos e infaunales en Puerto Foster, la bahía al interior de la isla (Gallardo & Castillo 1970). La cual, al tener las condiciones más cálidas del lecho marino, junto con las características de los sedimentos, hacen que las comunidades bentónicas sean únicas en las islas Shetland del Sur (RCTA, 2019).

La isla Livingston es la segunda más grande de las Islas Shetland del Sur, y en ella se han encontrado ocurrencias considerables de diques de composición mayoritariamente basáltica (Torres et al., 2015). Su relieve es muy irregular con costas altas e inaccesibles (Malvé et al., 2014). En la parte más occidental de la isla Livingston se encuentra la península de Byers. Geológicamente esta península se reconoce por las secuencias sedimentarias marinas y no marinas y el vulcanismo Cretácico-Terciario (Parica et al., 2007). Además, es el mayor sector libre de hielo de las islas Shetland del Sur (RCTA, 2016). Esta zona comprende una diversidad de la fauna y la flora, varios invertebrados, una población considerable de elefantes marinos del sur (Mirounga leonina), pequeñas colonias de lobos finos antárticos (Arctocephalus gazella) y valores sobresalientes asociados a una variedad de plantas y animales (RCTA, 2016;2022).

Figura 5

Mapa batimétrico de la región del estrecho de Bransfield (modificado de Klepeis y Lawver, 1994).

Nota: El intervalo de contorno es de 200 m, las curvas de nivel 1000-m se muestran en negrita y algunas están etiquetadas. Los triángulos sólidos son ubicaciones de vulcanismo submarino y subaéreo relacionado con el rift del Cuaternario (Keller et al., 1992). Los triángulos huecos son ubicaciones submarinas donde se han recuperado basaltos vítreos frescos (Keller et al., 1994). BI = Isla Bridgman, CI = Isla Clarence, DI = Isla Decepción, EI = Isla Elefante, GrI = Isla Greenwich, JRI = Isla James Ross, LvI = Isla Livingston, MP = Pico Melville, PI = Isla Pingüino y RI = Robert Isla. Las líneas discontinuas numeradas del 1 al 4 son alineaciones volcánicas paralelas o subparalelas, que varían en tamaño desde decenas de metros de altura hasta 2 Km, o más para la Isla Decepción y el volcán submarino al sur de KGI. Tomado de (Lawver et al., 1995)

2.1.2. Cuantificación y caracterización acústica de agregaciones de organismos vivos

Las técnicas hidroacústicas se utilizan ampliamente en todo el mundo para determinar la abundancia y distribución de organismos acuáticos (Simmonds & MacLennan, 2005). La Antártida tiene un ecosistema casi ideal donde desarrollar este tipo de estudios, debido a que existen especies como el krill (Euphasia superba) (Figura 6), que es allí la especie dominante en términos de biomasa, en el segundo nivel trófico (Furness & Monaghan, 1987). Estas técnicas presentan la ventaja de realizar un muestreo acústico continúo. No obstante, tiene una limitante sobre la identidad de los registros, a causa de las características físicas de los organismos como densidad y elasticidad (Gaddum, 2015; Cabreira, 2017). Los grupos taxonómicamente distintos pueden proporcionar una respuesta acústica o eco similar (Cabreira, 2017), lo que complica la determinación de la identidad u origen de los ecos detectados.

El proceso de asignación de la identidad resulta generalmente sencillo en áreas donde la diversidad de especies de organismos es baja. Sin embargo, este proceso se dificulta en áreas multi-específicas debido a que las especies pueden presentar respuestas acústicas diferentes (Rodriguez, 2015; Cabreira, 2017) Por esta razón, la metodología requiere de una identificación confiable de los registros acústicos, es decir, la asignación insesgada de una especie o grupo de especies a cada eco-registro (Cabreira, 2017).

Los métodos acústicos para estimar la abundancia de peces se basan en el conocimiento previo de la Reflectividad (Target Strength, TS) de los peces según su talla, su morfología y fisiología (Foote, 1987). Cuando no se tiene esta información, los resultados no deben ser expresados en términos de abundancia o biomasa absoluta (por ejemplo, en toneladas), sino en unidades de abundancia relativa (por ejemplo, en valores NASC cuyas unidades son m2/mn2) (Castillo et al., 2009) (Figura 6).

Figura 6

Mapa de distribución y densidad acústica de krill (en m²/mn²) en el Estrecho de Bransfield y alrededores de la Isla Elefante, ANTAR XVII.

Nota: Se observa en el mapa de distribución una gran amplitud geográfica del recurso, dentro de las principales áreas de concentración se ubican dos áreas densas al sur-oeste en el estrecho de Bransfield cerca de la isla Decepción y en los alrededores de la isla Elefante, se realizó este mapa con datos colectados en la Expedición Peruana ANTAR XVII. Tomado de Peraltilla et al. (2016)

La base fundamental en los métodos acústicos de cuantificación consiste en que, si se conoce la cantidad de energía sónica que es emitida se le puede comparar con la que es recibida como eco (o Retrodispersión) (Castillo et al., 2009; Rodríguez, 2015; Ventero, 2016), y atribuir la diferencia a la cantidad de dispersores presentes en el agua esto requiere un análisis de ecogramas previamente calibradas (Castillo et al., 2009).2.1.2.

2.2. Ecosistema marino antártico

La Antártida es un continente de extremos climáticos, con bajas temperaturas y extremos en iluminación, desde permanente oscuridad en los meses de invierno a 24 horas de luz en el verano (Vernet & Cape, 2019). Los organismos marinos se han adaptado a esta variabilidad en las condiciones ambientales y las características de adaptación comparten cierta similitud con organismos de agua dulce en zonas de alta latitud y altitud (Russell, 2000).

El océano Antártico tiene un desarrollado sistema de corrientes con afloramientos asociados a aguas ricas en nutrientes (Villemur, 2004). Además, los largos períodos de luz solar durante los meses de verano producen el aumento de fosfatos y nitratos (Valencia, 1989; Villemur, 2004) junto a las características de temperatura, salinidad y contenido de oxígeno del agua producen las condiciones ideales para la proliferación del fitoplancton, que constituye el primer eslabón de las cadenas alimentarias (Villemur, 2004). El zooplancton, formado por animales herbívoros que se alimentan preferentemente de fitoplancton, está constituido por pequeños crustáceos, entre ellos los copépodos y los eufáusidos (Cifuentes, et al., 1986).

I. MÉTODO

3.1. Tipo de investigación

El tipo de investigación que se utilizará para esta tesis es de tipo descriptiva y aplicada; ya que se pretende hacer un procesamiento, interpretación y una demostración de la composición de sedimento, así como realizar identificación y cuantificación de especies vivas marinas, incluyendo peces, macrozooplancton y zooplancton en general.

3.2. Ámbito temporal y espacial

La Campaña científica Española en la Antártida EXPLOSEA‐1 se realizó durante el verano austral 2019 en los meses de febrero a Marzo como parte del proyecto Exploración de Emisiones submarinas de fluidos Hidrotermales, Mineralizaciones y Geobio‐sistemas asociados, zarpando desde Punta Arenas (Chile) haciendo un total de 21 días de navegación.

La realización de este trabajo de Investigación se fundamentará en el análisis de los datos acústicos que fueron colectados a bordo del Buque de Investigación Oceanográfica Español Hespérides, en el que se colectaron datos acústicos con una ecosonda monohaz de dos frecuencias (38 y 120 kHz) para el perfilamiento del fondo en el área comprendida entre la isla Decepción e Isla Livingston, en el Estrecho de Bransfield (Figura 9), con un total de 702 millas náuticas prospectadas, en las que también se tomó muestras de sedimentos con draga Van Veen en 24 estaciones y Testigo de Gravedad en 25 estaciones (Figura 7).

Figura 7

Area de estudio, trayectos recorridos y estaciones oceanográficas realizadas entre las islas Livingston y Decepción en el Estrecho de Bransfield.

Nota: Los puntos verdes en la imagen indican el lugar donde se realizó el muestreo de sedimentos con la Draga Van Veen y los puntos naranjas son las muestras de sedimentos recolectadas con el Testigo de Gravedad. Adaptado de IGME (2019)

3.3. Variables

3.3.1. Variables Independientes

Datos sobre retrodispersión acústica: Mediciones de la retrodispersión del sonido en la columna de agua a lo largo del recorrido efectuado en la zona.
Datos ambientales: Características físicas y químicas (temperatura, salinidad y oxígeno) de la zona en estudio a diversos estratos de profundida

3.3.2. Variables Dependientes

Batimetría
Clasificación de los tipos de fondo
Estimación de la Biomasa observada de krill y zooplancton.

3.4. Población y muestra

Se considera para esta investigación como población a la diversidad biológica y la distribución de sedimentos del fondo marino ubicados en el estrecho de Bransfield, Isla Decepción e Isla Livingston.

La muestra para este análisis se considera a los datos acústicos obtenidos para la caracterización del fondo marino, los sedimentos obtenidos en el muestreo de las estaciones para determinar el tipo de sedimento.

3.5. Instrumentos

En esta tesis se realizará un post-procesamiento de los datos colectados con equipos acústicos y otros instrumentos oceanográficos.

3.5.1. Softwares

ECHOVIEW 13, Surfer 23.4, ARCGIS (ArcMap 10.8.1), R-Geostat.

3.5.2. Instrumentos

Ecosonda monohaz EK-60 Kongsberg de haz dividido de 38 y 120 kHz. Se utiliza para estudios biológicos, principalmente para la estimación de biomasa y la detección individual de blancos, también puede hacer un seguimiento automático del fondo. La frecuencia de 38 kHz tiene un alcance máximo de 3000 m y el 120 kHz un alcance máximo de 900 m.
CTD (Conductivity, Temperature, Depth) en español significa conductividad, temperatura y profundidad es instrumento oceanográfico utilizado para determinar las propiedades físicas del agua de mar.
Draga Van Veen utilizada para muestrear tipos de fondos que van desde fangosos a arenosos o con rocas sueltas.
Testigo de Gravedad utilizada para el muestreo de sedimentos.

3.5.3. Materiales

Computadora personal para el procesamiento de datos acústicos.

3.6. Procedimiento

3.6.1. Post-procesamiento de los Datos Obtenidos

El procesamiento de los datos acústicos generados por el ecosonda monohaz Kongsberg EK-60 para generar perfiles del fondo marino ocupan un total de 15.4 gigabytes (GB), estas mismas cuentan con un total de 324 ficheros de datos acústicos en formato RAW, la cual se convertirá en formato EVD al removérseles el ruido e interferencias utilizando el software ECHOVIEW 13. Asimismo, se utilizará software el ECHOVIEW 13 para el diseño y uso de algoritmos para separar acústicamente los grupos de organismos vivo.

Como resultado se obtendrá ecogramas sin ruido por grupos de especies (peces, macrozooplancton, zooplancton gelatinoso), Así mismo se obtendrá los valores Sv y Nasc necesarios para clasificar acústicamente por grupos las especies. Para la clasificación del tipo de sedimento se utilizará la ecointegración para la obtención de las respuestas acústicas del fondo.

3.7. Análisis de datos

3.7.1. Metodología para el procesamiento de los datos acústicos

Los datos acústicos de la ecosonda monohaz Kongsberg Ek-60 serán solicitados al Instituto Geológico y Minero de España
(IGME) para realizarse el procesamiento. Para la clasificación del tipo de fondo marino se utilizará los datos de valores
de Fuerza Media del Volumen de Retrodispersión Acústica (Sv) hasta 1000 m de profundidad durante el recorrido efectuado
por el Buque Hespérides a una velocidad media de 8.5 nudos. La información de 38 kHz será destinada a la determinación
de la profundidad para cada emisión de sonido y posteriores estudios del tipo de fondo. Las lecturas batimétricas serán
corregidas de acuerdo con los cambios termohalinos en la columna de agua según lo descrito en Gutiérrez (1988), al
interior de las zonas de corrección establecidas según la ubicación de las estaciones oceanográficas efectuadas.

Para la clasificación del plancton y de peces se utilizará un método bi-frecuencia en el cual primeramente se va definir limites como la superficie y el fondo, y remuestrear los ecogramas de 38 y 120 kHz para que presenten matrices de dimensiones similares. Continua el Post Proceso de hallar el biovolumen utilizando el método de dos frecuencias de Greenlaw, (1979), Ballón et al., (2011) y el modelo de esfera “high-pass” Johnson, (1977). El volumen de fluido en la esfera se supone que es igual al volumen desplazado de un organismo del zooplancton.

3.7.2. Metodología para el análisis de las variables oceanográficas

Se generarán superficies interpoladas con el paquete geoestadístico R-Geoestat para todas las variables disponibles (temperatura, salinidad y oxigeno) a nivel superficial y subsuperficial para correlacionar los resultados entre sí y describir los patrones que pudieran existir, así como también con la información acústica sobre densidad de krill y de zooplancton. Se construirán modelos GAM utilizando algoritmos diseñados con lenguaje R a fin de identificar los límites y tendencias entre las correlaciones que pudieran existir.

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