1 Comportamiento de la fotosíntesis después del impacto del asteroide de Chicxulub.Autor: MSc. Noel Pérez Díaz, Dr. Rolando Cárdenas Universidad Central “Marta Abreu” de Las Villas

2 Introducción MotivaciónLos grandes impactos tienen desbastadoras consecuencias sobre los ecosistemas terrestres ( Alvarez et al. 1980). Están asociados con catástrofes medioambientales (Toon et al ). Causan un desastre climático global, destruir la civilización humana (Chapman and Morrison, 1994). Pueden colapsar el proceso de fotosíntesis y probocar grandes incendios forestales.

3 Características del asteroide de ChicxulubIntroduction Características del asteroide de Chicxulub Tamaño: kilómetros de diámetro. Composición: Condritos Carbonosos (Bettke et al 2007) Frecuencia: Estos eventos ocurren muy raramente en la historia terrestre; cada 0.1 a 1 millón de años (Chapman and Morrison 1994).

4 Impactos en FotosíntesisPolvos y aerosoles Humo y hollín Reducción del ozono Oscuridad Bajo nivel visible Alto nivel de UV Radiativo (Vis-UV) Lluvias ácidas Enfriamiento Global Envenenamiento del agua Stress adicional Contribuye a cambios Bio-diversidad y Productividad Global.

5 Materiales y Métodos SetupEfecto combinado de los aerosoles y la dinámica del ozono. Modelo de fotosíntesis (E photosynthesis model) para fitoplancton con buena capacidad de reparación del daño por el ultravioleta.(Fritz et al 2008). Clasificación óptica general de la aguas océanicas (Jerlov 1976, Shiftin 1988). Aguas tipo: I (clara), II (intermedias) y III (turbias). Organismos con diferentes eficiencias (parametro Es del modelo indica la eficencia del organismo). Es= 5 W/m2 (altamente eficiente), W/m2 (eficiencia intermedia) y 150 W/m2 (baja eficiencia). Estimado final del flujo UV en la superficie se llevó a cabo usando el software: TUV Radiative Transfer Model (Madronich 2009). Ángulo zenital solar de 0º ,30º y 60º.

6 Modelos Aerosoles Impacto ocurrido en plataforma parcialmente sumergida en un mar poco profundo (alrededor de10 m). Presencia de masivos depósitos evaporíticos junto con carbonatos en capa sedimentaria saturada en agua (López-Ramos, 1975; Ward et al., 1995). Liberación a la atmósfera de grandes cantidades de CO2, gases de azufre (SO2 y SO3), y agua proveniente de la capa sedimentaria ( Pope et al., 1994; Ivanov et al., 1996; Pierazzo et al., 1998) que originan los aerosoles sulfato.

7 Modelos Aerosoles Los aerosoles sulfato fueron continuamente producidos fotoquímicamente en la estratosfera superior (30 km) a partir del SO2 disponible. El polvo y los aerosoles bloquearon la fotosíntesis por un periodo mayor de un año (Alvarez et al. (1980). La composición de los aerosoles sulfato probablemente era de un 80% SO2 y 20% SO3 (Kring et al., 1996).

8 Modelos Reducción del OzonoSe generó gran cantidad de óxidos de nitrógeno que reducen la capa de ozono (Toon et al. 1997). Este efecto activa el cloro que resulta en la destrucción del ozono si está presente en suficiente cantidad en la estratosfera (Hanson et al., 1994; Tie and Brasseur, 1995). Para el evento de Chicxulub la cantidad de cloro injectada por el impacto fue suficiente para destruir todo el ozono estratosférico (Kring,1999).

9 Modelos Aerosoles y OzonoGráfica empleada para estimar concentración de aerosol en diferentes momentos después del impacto. (Pierazzo et al, 2003) Gráfica utilizada para estimar la fracción de ozono relacionán-dola con la concentración de aerosol. (Haruma et al, 2007)

10 Modelos Fotosíntesis Modelo de Fritz et al (2008). Donde:P/Ps → La tasa de fotosíntesis. E Par → Irradiancias a la profundidad z de la radiación fotosinteti-camente activa (PAR). Es → Parámetro indicativo de la eficiencia de la especie en el uso de la PAR. E*UV →Irradiancia biologicamente efectiva.

11 Modelos Fotosíntesis E(λ, z)→ Irradiancia espectral a la profundidad z in la columna de agua. Δλ→ Tamaño del intervalo entre longitudes de onda [Δλ=1nm (Peñate et al 2010) ]. λi , λf →Extremos de la banda fotosintetica-mente activa. ( nm) E(λ,0-) →Irradiancia espectral inmediata-mente debajo de la superficie del mar. K(λ)→ Coeficientes de atenuación (define el tipo óptico de agua).

12 Modelos Fotosíntesis R→Coeficiente de reflexión estimado con la ayuda de la formula de Fresnel aplicada a la interface aire-agua. E(λ,0+)→Irradiancia espectral inmediata-mente encima de la superficie del mar (estimada usando el TUV Radiative Transfer Model) ε(λ)→ Peso biológico efectivo de cada longitud de onda de la banda del ultravioleta. λi , λf →Extremos de la banda del UV ( nm).

13 Resultados y Discusióntasas de fotosíntesis después del impacto La fotosíntesis es bloqueada por lo menos durante los dos primeros años después del impacto debido a la presencia de una alta cantidad de aerosol en la atmósfera (curva lila 2 años). Las máximas tasas de fotosíntesis entre los dos y tres años después del impacto (amarillo 2.5 años y verde-azul, 3 años) se encuentran cerca de la superficie debido a la relativamente alta concentración de aerosol. Entre los 4-8 años [curva roja (set de curvas)], las tasas de fotosíntesis muestran un comportamiento similar. La cantidad de aerosol es relativamente baja y la reducción de la capa de ozono es limitada.

14 Resultados y DiscusiónProductividad biológica del fitoplancton La productividad biológica durante los 2.5 primeros años es muy baja (prácti-camente cero), por la nula o poca luz que llega a la superficie, debido a la presencia de una alta concentración de aerosol. En el intervalo de años, se incrementa la productividad biológica a consecuencia de la disminución de la concentración de aerosol y que la reducción de la capa de ozono es limitada. El fitoplancton en las aguas de tipo I es más productivo pero también mas sensible a los cambios radiativos que en otras aguas. A partir de los años la productividad biológica permanece constante. La concentración de aerosol es baja y el ozono se ha recuperado en buena medida.

15 Resultados y DiscusiónProductividad biológica del fitoplancton La productividad biológica cambia sus-tancialmente de acuerdo a la eficiencia de la especie considerada. A partir de los 2.5 años hasta 4.5 años la productividad biológica se incrementa, debido a la baja concentración de aerosol y la limitada reducción de la capa de ozono. La productividad biológica asociada a las especies menos eficientes (Es=150W/m2) es más inerte a los cambios en el tiempo que las más eficientes (Es=5W/m2). A partir de los 4.5 años la productividad biológica permanece prácticamente constante. La cantidad de aerosol es baja y la capa de ozono se ha recuperado en buena medida.

16 Resultados y DiscusiónProductividad biológica del fitoplancton Las tasas de fotosíntesis integradas a partir de los 2 años se incrementan hasta los años para permanecer prácticamente constante. El incremento de la productividad biológica en las latitudes bajas y medias es muy similar y relativamente mayor que en las altas. La productividad biológica máxima se alcanza primeramente en las latitudes bajas (~0.5-1 año antes que en la altas). La recuperación de la capa de ozono comienza en las latitudes bajas para luego extenderse a las altas.

17 Resultados y DiscusiónDaño biológico en la superficie del mar El mayor daño biológico se produce ~4.5-5 años después del impacto debido fundamentalmente al bajo nivel de aerosol (~ DU) y la reducción de la capa de ozono es limitada (existe ~66-71% de O3 respecto al nivel normal). En las bajas latitudes el daño al DNA es mayor que en las altas latitudes. El daño biológico está mayormente controlado por la dinámica del ozono más que por el nivel de aerosol en la atmósfera.

18 Resultados y DiscusiónDaño biológico en la superficie del mar Entre los 4 y 6 años después del impacto los índices UV computados son altos (UV Index >11) para las latitudes bajas y medias. El máximo valor es alcanzado entre los 4.5 y 5 años después del impacto, mostrándose una fuerte dependencia de la latitud.

19 Resultados y DiscusiónDaño biológico en la superficie del mar El comportamiento es similar a los casos anteriores.

20 Resultados y DiscusiónDaño biológico en la superficie del mar El UV-A se incrementa a partir de los 2.5 años después del impacto hasta los 4.5 años, a partir de donde permanece constante. Esto está relacionado con la disminución del contenido de aerosol y la limitada reducción de la capa de ozono.

21 Resultados y DiscusiónArcaico vs momento de mayor daño al DNA La productividad biológica durante el momento de mayor daño al DNA después del impacto (~ 4.5 años) es más alta que en el arcaico. Las mayores tasas de fotosíntesis se alcanzan más cercano a la superficie del océano que en el arcaico.

22 Conclusiones En los primeros años después del impacto la mayor influencia en la fotosíntesis es la oscuridad controlada por la presencia de los aerosoles. Después que la luz alcanzó la superficie el mayor efecto en el proceso de fotosíntesis así como los indicadores del daño biológico estudiados son controlados fundamentalmente por la dinámica del ozono. En todos los caso estudiados el peor escenario es durante los dos primeros años cuando la columna de aerosol alcanza los valores más altos.

23 Conclusiones La productividad del fitoplancton varia durante este proceso como función de los aerosoles y la columna de ozono, siendo esta dependencia menos sensible para aguas de tipo II y III que las I. La recuperación comienza en las latitudes bajas para luego extenderse a las altas. La atmósfera en el momento de mayor daño al DNA después del impacto, tiene mejores condiciones para albergar a los organismos fotosintéticos que en el arcaico.