В белых кроссовках, ковбойской шляпе и комбинезоне Берни Фаулер каждый июнь заходит в реку Патаксент в Мэриленде, чтобы посмотреть, как глубоко он может зайти и все еще видеть голенища своих ботинок. В молодости он мог видеть свои ноги на дне реки, когда он стоял по грудь в сети синих крабов. Сейчас, когда ему за девяносто, он отправляется в реку, чтобы оценить прозрачность воды. Фаулер собирал эти данные в течение последних 29 лет и подсчитывал, называя это «глубиной кроссовок».
Ученые производят точные измерения прозрачности воды по спутниковым данным, но расчеты могут быть сложными и трудными для объяснения людям, не связанным с океанографией. Теперь НАСА принимает идею кроссовок Фаулера для передачи спутниковых измерений прозрачности воды, что позволяет легко делиться наблюдениями с заинтересованной широкой общественностью, местными органами власти или всеми, кто заинтересован. Ученые НАСА назвали этот алгоритм «Глубина кроссовок Фаулера» - глубина воды в метрах, на которой человек уже не может видеть свою белую обувь. Исследование было опубликовано в апрельском выпуске журнала The Optical Society Optics Express за 2017 год.
Отставной сенатор штата Мэриленд Фаулер использовал «глубину кроссовок» как способ сообщить своим соседям и сообществу о местных изменениях в прозрачности воды. Прозрачность воды жизненно важна, потому что солнечный свет должен иметь возможность проникать глубоко за пределы поверхности, чтобы помочь подводным растениям расти и поддерживать здоровую экосистему. Во всем мире прибрежные воды могут стать мутными из-за избытка взвешенных минеральных частиц (например, эродированной почвы) или аномально высокого содержания фитопланктона (микроскопических водорослей). Хотя эти эффекты возникают естественным образом, они могут усугубляться деятельностью человека в водосборном бассейне, такой как расчистка земель, городское строительство и сброс недостаточно очищенных сточных вод. Плохая прозрачность воды может серьезно повлиять на здоровье человека, пищевую цепочку и рыбную промышленность.
«Когда вы говорите с людьми о химическом составе реки с помощью таких научных слов, как эвтрофикация, они входят в одно ухо и вылетают из другого», - сказал Фаулер. «Если вы наденете белые кроссовки и будете бродить по реке, пока не увидите своих ног, это даст вам достаточно хорошее представление о том, что происходит». 11 июня 2017 года Фаулер, его семья, друзья и сообщество отправятся вброд по реке Патаксент в парке Джефферсона Паттерсона и 30-й год подряд измерят глубину кроссовок.
Ученые, работающие в лаборатории экологии океана, сосредоточены на точности, сказал Лахлан МакКинна, океанограф из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА в Гринбелте, штат Мэриленд, и один из авторов исследования.«Но иногда нам нужны лучшие способы общения с широкой публикой».
Бен Крук, 17-летний летний стажер НАСА, помог вывести глубину кроссовок Фаулера как первый автор статьи. Крук провел часть своего лета, анализируя данные Фаулера и спутниковые снимки, чтобы понять местные тенденции прозрачности воды.
Крук и его команда изучили данные бортового прибора спутника Aqua, спектрорадиометра среднего разрешения или MODIS. Прибор измеряет различные цвета света или длины волн, которые отражаются от вещества, взвешенного в воде. Они специально смотрели на количество красного света, отражаемого плавающими частицами и отложениями, из-за которых вода кажется мутной.
Затем команда разработала математическую модель, чтобы связать количество отраженного красного света, измеренное MODIS, с глубиной кроссовок, физически измеренной Фаулером в реке Патаксент, за период с 2002 по 2016 год.
Полученный алгоритм обеспечивает простой способ визуализации и информирования общественности о чистоте воды. Он также обеспечивает спутниковые измерения глубины кроссовок в любой день года, когда нет большого количества облаков, и для всего устья реки Патаксент.
«Мы посмотрели, насколько изменчива была глубина кроссовок в тот день в году по сравнению с любым другим днем в году», - сказал Крук, окончивший Школу друзей Сэнди Спринг в Эштон-Сэнди Спринг., штат Мэриленд, и этой осенью планирует изучать науку об окружающей среде в Skidmore College в Нью-Йорке.
Крук и команда наблюдали, как качество воды в Патаксенте меняется в зависимости от сезона. В зимние месяцы была наибольшая глубина кроссовок Фаулера (т. Е. Наилучшая видимость), потому что речной сток минимален, что означает меньшее количество поступающих наносов, а условия окружающей среды менее благоприятны для роста фитопланктона. Поздняя весна и ранние летние месяцы, как правило, имеют наименьшую глубину кроссовок (т.е. самая низкая видимость), потому что здесь больше фитопланктона и отложений.
Исследование также выявило потенциальные источники, влияющие на прозрачность воды в реке Патаксент. В последние годы улучшенное управление водосборными бассейнами уменьшило воздействие землепользования, которое может загрязнить реку, например, расчистку земель, очистку сточных вод, сельское хозяйство и городское развитие. Тем не менее, летнее цветение фитопланктона все еще продолжается в нижнем эстуарии реки Патаксент, что позволяет предположить, что питательные вещества, способствующие цветению, поступают в реку из Чесапикского залива - идея, которую предполагали предыдущие исследования..
Хотя глубина кроссовок была в первую очередь разработана как средство коммуникации с общественностью, команда НАСА не сбрасывает со счетов ее использование в научных целях. Концепция глубины кроссовок на самом деле аналогична измерению глубины диска Секки, ежемесячно проводимому программой Чесапикского залива. В океанографии ученые опускают в воду на веревке плоский белый диск диаметром один фут, называемый диском Секки, и записывают глубину, на которой он исчезает из поля зрения. Эти измерения полезны для морских ученых, которые хотят знать, какой глубины достигает свет, чтобы понять, как растет фитопланктон и другая подводная растительность.
«Глубина кроссовок Фаулера станет метрикой для изучения долгосрочных тенденций прозрачности воды для получения научно значимых результатов и доведения их до широкой публики», - сказала Ивона Четиник, океанограф из Ассоциации космических исследований университетов НАСА. Годдард и один из авторов исследования. Однако Цетинич и его команда еще должны внести некоторые уточнения. Во-первых, они могут установить максимальный предел глубины кроссовок как рост Фаулера - способ сохранить контекст числа и почтить самоотверженность Фаулера и работу над Чесапикским заливом. Во-вторых, команда хотела бы получить больше данных от сообщества, чтобы улучшить алгоритм.
"Если у вас есть пара старых белых кроссовок, вы наденете их на ноги или веревку и сделаете некоторые измерения, это может помочь нам создать набор данных и точно настроить алгоритм", - сказал МакКинна.