Hvordan satellitdata førte til et gennembrud for Lake Erie-giftige algeopblomstringer

Med den voksende hyppighed og omfang af giftige ferskvandsalgeopblomstringer bliver et stadig mere bekymrende folkesundhedsproblem, Carnegie-forskerne Jeff Ho og Anna Michalak, sammen med kolleger, har gjort nye fremskridt med hensyn til at forstå driverne bag Lake Erie-opblomstringer og deres implikationer for sørestaurering. Værket er publiceret i to relaterede undersøgelser.

Ved at bruge data fra NASAs Landsat 5-instrument, forskerne genererede nye estimater af historiske algeopblomstringer i Lake Erie, mere end en fordobling af antallet af år, der tidligere var til rådighed for forskere at undersøge, fra 14 til 32. (Denne første undersøgelse blev offentliggjort i Fjernmåling af miljø .) Udforsker denne nye historiske rekord, de opdagede, at kumulativ fosforbelastning i tiårsskala - det er den afstrømning, der kommer ind i vandvejen - hjælper med at forudsige blomstringsstørrelse ud over virkningerne fra samme års fosfortilførsler. Arbejdet tyder på, at det kan tage op til et årti at høste fordelene af nyligt foreslåede reduktioner af næringsstofbelastning. (Denne anden undersøgelse blev offentliggjort i Journal of Great Lakes Research .)

Skadelig ferskvandsalgeopblomstring opstår, når der tilføres for store mængder fosfor til vandet, ofte som afstrømning fra gødning. Det overskydende fosfor stimulerer væksten af ​​vandplanter og planteplankton som de blågrønne alger Microcytsis sp ., en organisme, der producerer et toksin, der påvirker den menneskelige lever, og som også kan forårsage hudirritation.

Ingen steder er problemet med giftige algeopblomstringer blevet mærket mere akut end Lake Erie, som grænser op til de amerikanske stater Ohio, Pennsylvania, og New York, og den canadiske provins Ontario. I 1960'erne og 1970'erne, algeopblomstring var til stor gene, men binationale fosformål førte til genopretning af søen. For nylig, blomstringen er vendt tilbage med større intensitet og konsekvenser, med rekordopblomstring i 2011 og 2015. Toksiner fra en Microcystis opblomstring i 2014 førte til en tre-dages "drik ikke postevand"-rådgivning for de 500, 000 indbyggere i Toledo, Ohio, og det omkringliggende område.

"Vandkvaliteten i den vestlige del af Lake Erie har været faldende i to årtier, " bemærkede hovedforfatter Jeff Ho. "Omkring 11 millioner mennesker er afhængige af Lake Erie for at drikke vand."

Dette presserende problem foranledigede udviklingen af ​​nye fosformål fra den binationale internationale fælleskommission i 2016. De nye mål er et vigtigt skridt i sikringen af ​​Lake Eries vand, men genopretningen vil sandsynligvis tage flere år, selv efter at mængden af ​​fosfor, der kommer ind i søen, er faldet.

"Resultaterne af vores undersøgelser tyder på, at fosfor fanget i søsedimenter fortsætter med at blive genudgivet i søen i flere år, fodring blomstrer år efter år, " bemærkede medforfatter Anna Michalak.

Michalak og Ho var motiverede til at gå i gang med disse undersøgelser efter at have indset, at alle nuværende bestræbelser på at modellere giftige opblomstringer i Lake Erie var baseret på mindre end femten års data. "Ville vores forståelse af søprocesser ændre sig, hvis vi kunne gå tilbage for at se, hvad der skete i 80'erne og 90'erne?" Michalak husker, at han spurgte.

Det første skridt var at indsamle nye oplysninger om historiske opblomstringer fra eksisterende satellitregistreringer. At gøre dette, holdet kiggede på Landsat 5-arkivet, går tilbage til 1984. Ved at bruge en nyudviklet metode baseret på flere målinger af blomstringstilstedeværelse, fordeling, størrelse, og timing, de evaluerede elleve kandidat Landsat-algoritmer, og fandt den, der bedst matchede eksisterende data for de seneste år. De anvendte derefter denne algoritme til at kortlægge blomster tilbage til 1984, mere end en fordobling af den eksisterende historiske rekord, og dramatisk øge deres evne til at forstå tendenser og årsager.

"Denne multimetriske tilgang til at identificere den bedste blomstringsdetektionsalgoritme gav os et omfattende billede af hver algoritmes styrke og svagheder, " bemærkede Ho.

Med disse nye blomstringsdata i hånden, forskerne undersøgte forholdet mellem blomstringens sværhedsgrad og vandtilførslen til søen, især fosfor. Forskerne opdagede, at mængden af ​​fosfor, der kommer ind i søen hvert forår, sammen med mængden af ​​fosfor, der var kommet ind i søen i løbet af det foregående årti, kunne forklare tre fjerdedele af år-til-år-variabiliteten i blomstringsstørrelse i løbet af tre årtiers rekordperiode.

"Den kumulative fosforbelastning, tegn på langsigtede tendenser i blomstringsstørrelse, var nøglen til at forstå, hvorfor nogle opblomstringer var opstået i år med meget lidt forårsfosforafstrømning, " bemærkede Ho. "Det forklarer også, hvorfor blomstringen er blevet større i de senere år, endnu mere end vi ville have forventet baseret på år-til-år ændringer i forårsbelastning alene, " tilføjede Michalak.

"Stien frem til Lake Erie er klar - vi er nødt til at reducere mængden af ​​fosfor, der strømmer ind i søen. Og vi bliver nødt til at være tålmodige for at give søen tid til at komme sig, " konkluderede Michalak.