Spatial and temporal variability of dominant phytoplankton size classes in the Mediterranean Sea from remote sensing

Abstract

Thanks to the key rule that phytoplankton plays in the global Carbon cycle and in the regulation of the climate processes, information about the composition of its community structure is today one the most important scientific lines of research. Recent trends in the comprehension of the community structure as well as the ecological state of the aquatic ecosystems are based on the identification of functional traits able to act as “non- taxonomic” descriptors. One of the most important descriptor for the phytoplankton community is considered the “cell size”, thanks to the existent relationship between dimensions and pigmentary content, different taxa or stages of growth in the same taxon, photosynthetic efficiency and bio-optical phytoplankton properties. In some cases size is also able to supply information on the biogeochemical functions and roles of the community itself. In this context remote sensing technologies provide a great tool for a synoptic observation at spatial and temporal scale of the marine ecosystem. In the recent years several physical, biological and ecological models have been proposed to estimate Phytoplankton Size Classes from remote sensing data. The aim of this work is to investigate the spatial distribution and temporal variability of three dominant Phytoplankton Size Classes (PSCs) in the Mediterranean Sea during the SeaWiFS mission from 1998 to 2010. This work is organized as follows. The first introductive chapter clarifies the base concepts of Size as community descriptor (section a), ecological rule of phytoplankton (section b), Remote Sensing technique in the Ocean Observation (section c) and characterizes the study area (section d). In the chapter 2, the in-situ (section a) and remote (section b) methods and data selected for this work with the algorithms investigated are represented. The third chapter shows the algorithm’s validation and summarizes the results. Comments are exposed in the chapter 4. Conclusions and some directions of future work are indicated in the chapter 5.

Grazie al ruolo chiave che il fitoplancton gioca nel ciclo globale del Carbonio e nella regolazione dei processi climatici, la conoscenza della composizione della struttura della comunità fitoplanctonica è oggi una delle più importanti line di ricerca scientifiche. Tendenze recenti nella comprensione della struttura di comunità, così come dello stato ecologico degli ecosistemi acquatici, si basano sull’identificazione di tratti funzionali in grado di agire da descrittori “non tassonomici”. La “taglia cellulare” è considerata uno dei più importanti descrittori della comunità fitoplanctonica, grazie alle relazioni esistenti tra dimensioni e contenuto pigmentario, taxa differenti o differenti stadi di crescita nello stesso taxon, efficienza fotosintetica e proprietà bio-ottiche del fitoplancton. In alcuni casi la taglia è anche in grado di fornire informazioni sulle funzioni biogeochimiche e i ruoli della comunità stessa. In questo contesto le tecnologie di remote sensing fornisco un importante strumento per un’osservazione sinottica a scala spaziale e temporale dell’ecosistema marino. Negli ultimi anni sono stati proposti diversi modelli fisici, biologici ed ecologici per stimare le classi di taglia fitoplanctoniche da dati telerilevati. Lo scopo di questo lavoro è investigare la distribuzione spaziale e la variabilità temporale di tre classi di taglia fitoplanctoniche dominanti nel Mar Mediterraneo durante la missione SeaWIFS dal 1998 al 2010. Questo lavoro è organizzato nel modo seguente. Il primo capitolo, introduttivo, spiega i concetti base di taglia come descrittore di comunità (sezione a), il ruolo ecologico del fitoplancton (sezione b), la tecnica del remote sensing nell’osservazione dell’oceano (sezione c) e caratterizza l’area di studio (sezione d). Nel capitolo 2 vengono presentati i metodi in-situ (sezione a) e remoti (sezione b) e i dati selezionati per questo lavoro insieme con gli algoritmi investigati. Il terzo capitolo mostra la validazione degli algoritmi e riassume i risultati. I commenti sono esposti nel capitolo 4. Le conclusioni e alcune direzioni possibili per lo sviluppo futuro del lavoro sono indicate nel capitolo 5.