Благодаря новому алгоритму исследователи из AWI теперь могут использовать спутниковые данные, чтобы определить, в каких частях океана преобладают определенные виды фитопланктона. Кроме того, они могут выявлять цветение токсичных водорослей и оценивать влияние глобального потепления на морской планктон, что позволяет им делать выводы о качестве воды и последствиях для рыбной промышленности.
Крошечный фитопланктон, найденный в Мировом океане, чрезвычайно продуктивен и производит половину кислорода, необходимого нам для дыхания. Как и наземные растения, они используют фотосинтез для производства углеводов, которые используют в качестве источника энергии. Они растут, делятся и производят огромное количество биомассы, основы всей морской жизни. Кроме того, они являются важным источником пищи для мелких ракообразных, рыб и личинок мидий, которые сами по себе являются основным продуктом питания для более крупных рыб. Когда фитопланктона не хватает, это ставит под угрозу пищевую сеть для всех других морских организмов.
Существуют различные группы фитопланктона по всему миру, и они выполняют различные функции в морских экосистемах. Некоторые из них являются любимыми источниками пищи; другие образуют определенные химические соединения или служат фиксаторами питательных веществ в воде, что может иметь большое влияние на морскую флору и фауну. С другой стороны, некоторые группы фитопланктона могут разрастаться до плотных масс и продуцировать ядовитые вещества; когда их слишком много в воде, это может быть смертельно для некоторых морских организмов, особенно рыб. Морской фитопланктон также играет чрезвычайно важную роль в качестве поглотителя CO2. Соответственно, исследователи стремятся узнать, как развиваются популяции соответствующих групп фитопланктона во всем мире.
Больше, чем хлорофилл
Однако до недавнего времени было практически невозможно детально оценить эти популяции. Конечно, исследователи десятилетиями собирали пробы воды на борту исследовательских судов, чтобы идентифицировать и количественно определить присутствующий планктон. Но это только случайные выборки. И даже спутники, которые сканировали океаны своими датчиками в течение последних трех десятилетий, были в лучшем случае несовершенным решением: хотя их, безусловно, можно было использовать для измерения количества растительного пигмента хлорофилла в воде - как индикатора того, насколько высокой была общая концентрация фитопланктона - различение разных видов фитопланктона оставалось крайне затруднительным. Кроме того, не было возможности использовать спутниковые данные для прогнозирования роста водорослей в конкретных регионах.
Но теперь международная группа под руководством Хунъяна Си и Астрид Брахер из Центра полярных и морских исследований им. журнал Remote Sensing of Environment, работая в тесном сотрудничестве с французской компанией ACRI-ST и при поддержке европейского поставщика спутниковых данных Copernicus Marine Environment Monitoring Service, они разработали новый алгоритм, который можно использовать для обработки данных. ключевую информацию о пяти основных группах фитопланктона.
Отражательная способность как ключевой параметр
Спутниковые датчики регистрируют свет на различных длинах волн; обычно используются те длины волн, которые способны улавливать цвет хлорофилла. Но Хунъян Си и ее коллеги нашли способ лучше использовать эту информацию о длинах волн. В частности, это включает в себя анализ аспекта, известного как коэффициент отражения (или коэффициент отражения), который представляет собой количество солнечного света, падающего на Землю и отражающегося обратно в космос. Это отражение обусловлено многочисленными оптическими процессами: свет рассеивается, изгибается и изменяется молекулами и частицами воды в океане и атмосфере. «И планктон, который сам содержит определенные пигменты, влияет на отражательную способность», - объясняет Хунъян Си. «Отражательная способность может различаться в зависимости от того, какие типы планктона и какие пигменты преобладают в воде». На самом деле каждый из пяти типов оставляет свой отпечаток на отраженном свете - и новый алгоритм может распознавать их все.
Тщательное сравнение судовых и спутниковых данных
Этот прорыв стал возможен только благодаря огромной тяжелой работе. Сначала команда должна была определить, какая картина отражения характерна для каждого типа планктона. Затем им нужно было сравнить показания спутников с образцами планктона, собранными в то же время и в том же месте на борту исследовательских судов. К счастью, результаты многих морских экспедиций теперь доступны в общедоступных базах данных. Благодаря этим архивам специалисты смогли определить, где и когда были взяты пробы воды, какие виды и виды планктона присутствовали. Си и ее коллеги проанализировали ок. 12 000 таких наборов данных, а затем сопоставили каждый из них со спутниковым сканированием, сделанным в одном и том же месте в одно и то же время. Это позволило им определить, как менялась отражательная способность у определенных типов планктона.
Качество воды и цветение токсичных водорослей
Вооружившись этими выводами, они были готовы разработать алгоритм. Сегодня его можно использовать для определения того, какие типы фитопланктона преобладают в том или ином морском регионе мира, на основе информации об его отражательной способности. Это важно, например. для выявления токсичных «вредных цветков водорослей» (ВЦВ). Наличие некоторых видов фитопланктона также является показателем качества воды; информация, которая особенно актуальна для рыбной промышленности. По словам Хонгьян Си: «Кроме того, в будущем мы сможем определить, влияет ли изменение климата на распределение фитопланктона, что является важным аспектом с точки зрения прогнозирования воздействия на экосистемы».