Вредоносное цветение водорослей может вызвать большие проблемы в прибрежных районах и озерах по всей территории Соединенных Штатов. Когда водные организмы, содержащие токсины, размножаются и образуют налет, это может вызывать болезни у людей и домашних животных, загрязнять питьевую воду и вызывать закрытие мест для катания на лодках и купания.
Имея ограниченные ресурсы для мониторинга этих часто непредсказуемых цветений, водные менеджеры обращаются к новым технологиям НАСА и его партнеров для обнаружения и отслеживания потенциальных опасностей. Это особенно важно для озер и водохранилищ, которые люди используют как для отдыха, так и для водоснабжения.
Новое приложение для мобильных устройств Android, разработанное Агентством по охране окружающей среды США (EPA) и теперь доступное в Google Play, будет предупреждать официальных лиц и представителей общественности, когда может формироваться вредоносное цветение водорослей, в зависимости от конкретных изменений. по цвету воды, наблюдаемой спутниками. Приложение является продуктом межведомственной Сети оценки цианобактерий, или CyAN.
«Интерес состоит в том, чтобы использовать дистанционное зондирование в качестве системы раннего предупреждения «глаз в небе», чтобы получить картину вредных цианобактерий во внутренних озерах США», - сказал Джереми Верделл, руководитель Центра космических полетов имени Годдарда НАСА. для CyAN, в которую также входят EPA, Геологическая служба США (USGS) и Национальное управление океанических и атмосферных исследований (NOAA).
«Ресурсы ограничены, и каждый человек на земле не может постоянно следить за всеми внутренними водоемами», - сказал он. «Спутники предоставляют инструмент, помогающий информировать, как и когда расходовать ресурсы для сбора проб воды».
НАСА занимается изучением качества воды из космоса на протяжении десятилетий, начиная с 1978 года с прибора «Сканер цвета прибрежной зоны», который использовал цвет океана для изучения популяций фитопланктона. С более поздними инструментами, такими как спектрорадиометр с визуализацией среднего разрешения на спутниках НАСА Terra и Aqua, разрешение было достаточно высоким, чтобы различать более крупные внутренние озера и водохранилища, и ученые начали использовать данные для обнаружения признаков цианобактерий в пресной воде.
Цианобактерии естественным образом встречаются во многих водоемах, от Великих озер до небольших прудов по соседству. В небольшом количестве эти водоросли не представляют проблемы. Но при правильных условиях - теплой воде, солнечном свете и питательных веществах, которые часто смываются с сельскохозяйственных полей, - цианобактерии могут размножаться и образовывать потенциально токсичные цветы.
Несмотря на микроскопические размеры отдельных водорослей, их цветение можно увидеть из космоса. В большом количестве цветки цианобактерий могут выглядеть как большие зеленые полосы и пятна из-за их основного фотосинтетического пигмента. Их присутствие также можно обнаружить с помощью флуоресценции, которую цветки водорослей испускают в ответ на воздействие солнечного света. Используя уникальные характеристики цветения, приборы на спутниках NASA/USGS Landsat, спутниках Copernicus Sentinel-2 и Copernicus Sentinel-3 Европейского космического агентства, а также на некоторых других спутниках способны точно определить присутствие водорослей.
С помощью компьютерных программ, разработанных для обработки данных спутниковых наблюдений с Sentinel-3, суперкомпьютеры НАСА еженедельно производят отчеты о цвете и другой информации о качестве воды более чем 2000 озер по всей территории Соединенных Штатов в рамках CyAN. проект, сказала Бриджит Сигерс, научный сотрудник Goddard в Гринбелте, штат Мэриленд.
Пользователи нового приложения CyAN смогут пометить конкретное озеро булавкой, которая будет зеленой, если озеро кажется свободным от цветения, желтой, если водоросли присутствуют, но ниже определенного порога беспокойства, или красной., что указывает на то, что цветение, вероятно, присутствует. Он предназначен не только для менеджеров по качеству воды, сказал Сигерс, но и для людей, которые кладут каноэ на свою машину и обсуждают, куда пойти, или для экипировщика, направляющего людей к лучшему озеру для каякинга.
CyAN была запущена в 2015 году и работала с государственными и местными агентствами над выявлением потенциально вредных цветков, сказал Блейк Шеффер, эколог-исследователь из Агентства по охране окружающей среды и руководитель программы этого агентства.
Менеджеры по качеству воды из регионов EPA и Управления водных ресурсов объединились с CyAN для тестирования и оценки приложения и спутниковых данных, сказал он. хорошо.
«Мы передаем всю мощь спутниковой информации непосредственно в руки людей», - сказал Шеффер. «Им не нужно добывать данные; они могут выбрать, чтобы данные были переданы им».
Однако программа имеет ограничения. Спутники не могут видеть сквозь облака, а из-за разрешения Sentinel-3A озера должны быть чуть больше полумили (900 метров) в ширину, чтобы отслеживать данные самого высокого качества.
Чтобы заглянуть в еще более мелкие озера и водохранилища, Шеффер и другие специалисты обращаются к Landsat. Из-за проблем с облаками (и менее частых повторных посещений) спутников Landsat ученые получают примерно одно четкое измерение данного участка каждый месяц. Но благодаря более высокому пространственному разрешению Landsat они могут отслеживать информацию о качестве воды из более чем 60% озер и водохранилищ США или более чем 170 000 водоемов.
Landsat и Sentinel-3 дополняют друг друга; Landsat имеет большее пространственное разрешение, тогда как Sentinel-3 чаще собирает данные по отдельным участкам и определяет длины волн, более подходящие для цианобактерий. Кроме того, спутники Landsat оснащены термодатчиками, которые можно использовать для мониторинга температуры поверхности озер, что полезно, поскольку более высокие температуры способствуют росту цветения. Шеффер изучает, как добавить этот дополнительный фактор в программу мониторинга.
В конечном счете, цель состоит в том, чтобы создать систему мониторинга качества воды, которая использует данные из многих источников - спутников Sentinel-2, Landsat и других, а также информацию, собранную о воде, - говорит Нима Пахлеван, исследователь из Годдард и член научной группы Landsat.
Он и его команда работают над тем, как лучше всего использовать данные Landsat и Sentinel для выявления озер, рек, водохранилищ и других водоемов с чрезмерным присутствием водорослей. Миссия Landsat работает с конца 1970-х годов, поэтому исследователи и водные менеджеры могут отслеживать историю данного озера, чтобы определить, изменилось ли каждое озеро или, возможно, даже отдельный пиксель на изображении озера, и если это указывает на то, цветение.
"Мы надеемся, что с этими изображениями, полученными почти в реальном времени - всего за 3-4 часа - мы сможем построить систему для выдачи предупреждений, специфичных для каждого озера или водохранилища", - Пахлеван. сказал.
Одна из проблем, с которой сталкивается группа, заключается в том, что в разных озерах проводится не так много измерений воды, чтобы сравнить и проверить то, что сообщает спутник. При поддержке научного отдела проекта Landsat Пахлеван и его сотрудники разместили три прибора в Грин-Бей, Висконсин, Лейк-Окичоби, Флорида, и Гризли-Бей, Калифорния, чтобы провести измерения воды для сравнения с Landsat и другими спутниковыми измерениями.
С этими полевыми данными и работой этим летом, которая включает в себя отслеживание нескольких озер с помощью Landsat и Sentinel-2, Пахлеван надеется создать программу и расширить ее до операционной системы с большим количеством мест к лету 2020 года..
Для таких людей, как Доналеа Динсмор, которая работает в Департаменте природных ресурсов штата Висконсин (DNR), больше инструментов спутникового мониторинга было бы долгожданным дополнением к набору методов, которые государство использует для контроля за тем, где цветут вредоносные водоросли. происходить. По ее словам, каждое лето в департамент поступают вопросы о том, вредна ли зеленая грязь, плавающая в озерах, или сообщения о том, что собак тошнит после купания в озере или питья из него. У DNR штата Висконсин есть сотрудники, которые следят за многими из тысяч озер в штате, но они не могут добраться до каждого места.
"С 15 000 озер, можете ли вы посетить их все? И в зависимости от того, когда вы посетите, вы можете просто пропустить цветение", - сказал Динсмор. «Это может быть очень сложная и дорогая программа мониторинга, если вы будете работать вслепую».