Hvordan man bemander sko hjælper NASA med at kommunikere problemer med vandklarhed

Iført hvide sneakers, en cowboyhat og overalls, Bernie Fowler går ind i Marylands Patuxent River hver juni for at se, hvor dybt han kan gå og stadig se toppen af ​​sine sko. Som ung kunne han se sine fødder på flodbunden, mens han stod brystdybt for at nette blå krabber. Nu i halvfemserne, han begiver sig ud i floden for at vurdere vandets klarhed. Fowler har indsamlet dette datapunkt i de sidste 29 år og tæller, kalder det "sneakerdybde".

Forskere foretager præcise målinger af vandets klarhed ud fra satellitdata, men beregningerne kan være komplekse og svære at forklare for mennesker uden for oceanografi. Nu vedtager NASA Fowlers sneaker-idé til at kommunikere satellitmålinger af vandets klarhed, gør det nemt at dele observationerne med den interesserede offentlighed, lokale myndigheder eller enhver, der er interesseret. NASA-forskere kalder denne algoritme "Fowler's Sneaker Depth" - vanddybden, i meter, hvor en person ikke længere kan se deres hvide sko. Undersøgelsen blev offentliggjort i april 2017-udgaven af ​​tidsskriftet The Optical Society Optik Express .

Den pensionerede senator i delstaten Maryland Fowler har brugt "sneaker-dybde" som en måde at kommunikere lokale ændringer i vandets klarhed til sine naboer og lokalsamfund. Vandets klarhed er afgørende, fordi sollys skal være i stand til at nå dybt ud over overfladen for at hjælpe undervandsplanter med at vokse og opretholde et sundt økosystem. Over hele verden, Kystvandene kan blive grumsete på grund af overskud af suspenderede mineralpartikler (f.eks. eroderet jord) eller unormalt høje mængder af fytoplankton (mikroskopiske alger). Selvom disse virkninger forekommer naturligt, de kan forværres af menneskelig aktivitet i et vandskel, såsom jordrydning, byudvikling, og udledning af underbehandlet spildevand. Dårlig vandklarhed kan drastisk påvirke menneskers sundhed, fødekæden, og fiskeindustrien.

"Når du taler med folk om flodens kemi med videnskabelige ord som eutrofiering, det går ind af det ene øre og ud af det andet, " sagde Fowler. "Hvis du tager hvide sneakers på og vader ud i floden, indtil du ikke kan se dine fødder, det giver dig en ret god forståelse af, hvad der foregår." Den 11. juni, 2017, Fowler, hans familie, venner og lokalsamfund vil vade ind i Patuxent-floden ved Jefferson Patterson Park og foretage sneaker-dybdemålinger for 30. år i træk.

Forskere, der sidder i et havøkologisk laboratorium, fokuserer på nøjagtighed, sagde Lachlan McKinna, en oceanograf ved NASAs Goddard Space Flight Center i Greenbelt, Maryland, og en af ​​undersøgelsens forfattere. "Men vi har nogle gange brug for bedre måder at kommunikere med offentligheden på."

Ben Crooke, en 17-årig NASA sommerpraktikant, hjalp med at udlede Fowler's Sneaker Depth som den første forfatter til papiret. Crooke brugte en del af sin sommer på at analysere Fowlers data og satellitbilleder for at forstå lokale tendenser i vandets klarhed.

Crooke og holdet så på data fra Aqua satellittens indbyggede instrument, det moderate opløsning Imaging Spectroradiometer, eller MODIS. Instrumentet måler forskellige farver af lys, eller bølgelængder, som reflekteres fra stof suspenderet i vandet. De så specifikt på mængden af ​​rødt lys, der reflekteres af flydende partikler og sedimenter, der får vandet til at virke grumset.

Holdet udviklede derefter en matematisk model til at relatere mængden af ​​reflekteret rødt lys, som målt af MODIS, med sneaker dybden, som fysisk målt af Fowler i Patuxent-floden, for årene 2002 til 2016.

Den resulterende algoritme giver en nem måde at visualisere og kommunikere vandklarhed til offentligheden. Det giver også satellit-observerede sneaker-dybdemålinger for enhver dag på året, der ikke er blokeret af en masse skyer, og for hele Patuxent-flodens udmunding.

"Vi så på, hvor stor variation der var i sneakerdybden på den ene dag på året sammenlignet med hver anden dag i året, " sagde Crooke, der tog eksamen fra Sandy Spring Friends School i Ashton-Sandy Spring, Maryland, og planlægger at studere miljøvidenskab til efteråret på Skidmore College i New York.

Crooke og holdet observerede, hvordan Patuxents vandkvalitet varierer med årstiden. Vintermånederne havde den største Fowler's Sneaker-dybde (dvs. den bedste sigtbarhed), fordi flodstrømmen er minimal, hvilket betyder færre indkommende sedimenter, og miljøforhold er mindre gunstige for planteplanktonvækst. De sene forår og tidlige sommermåneder havde en tendens til at have den laveste sneakerdybde (dvs. laveste sigtbarhed), fordi der er mere planteplankton og sedimenter til stede.

Undersøgelsen viste også potentielle kilder, der påvirker Patuxent-flodens vandklarhed. I de seneste år, forbedret vandskelforvaltning har reduceret påvirkningerne fra arealanvendelsesaktiviteter, der kan forurene floden, såsom jordrydning, spildevandsbehandling, landbrug, og byudvikling. Alligevel blomstrer sommerens planteplankton stadig i den nedre Patuxent -flodmunding, tyder på, at de næringsstoffer, der fremmer opblomstring, kommer ind i floden fra Chesapeake Bay - en idé, som tidligere undersøgelser har foreslået.

Selvom sneaker-dybden primært var designet som et kommunikationsværktøj til offentligheden, NASA-holdet afviser ikke brugen af ​​det til videnskab. Sneaker-dybdekonceptet ligner faktisk Secchi-diskdybdemålingen foretaget månedligt af Chesapeake Bay-programmet. I oceanografi, videnskabsmænd sænker en slette, hvid skive en fod i diameter - kaldet en Secchi-skive - ned i vandet på et reb og noter den dybde, hvor den forsvinder ude af syne. Disse målinger er nyttige for havforskere, der ønsker at vide, hvilken dybde lyset når for at forstå, hvordan fytoplanktonet og anden undervandsvegetation vokser.

"Fowler's Sneaker Depth vil komme ind som et mål for at se på langsigtede vandklarhedstendenser for videnskabeligt meningsfulde resultater og formidle dem til den brede offentlighed, " sagde Ivona Cetinic, en oceanograf hos Universities Space Research Association ved NASA Goddard og en af ​​undersøgelsens forfattere. Cetinic og teamet mangler dog stadig at foretage et par forbedringer. For en, de kan sætte den maksimale grænse for sneakerdybden som Fowlers højde – en måde at bevare konteksten af ​​nummeret og ære Fowlers dedikation og arbejde på Chesapeake Bay. Sekund, holdet vil gerne modtage flere datapunkter fra fællesskabet for at hjælpe med at forfine algoritmen.

"Hvis du har et par gamle hvide sneakers og sætter dem på dine fødder eller en snor og tager nogle mål, som kunne hjælpe os med at bygge et datasæt og finjustere algoritmen, " sagde McKinna.