Observation af planteplankton via satellit

Takket være en ny algoritme, forskere ved AWI kan nu bruge satellitdata til at bestemme, i hvilke dele af havet visse typer fytoplankton er dominerende. Ud over, de kan identificere giftige algeopblomstringer og vurdere virkningerne af global opvarmning på havplankton, giver dem mulighed for at drage konklusioner vedrørende vandkvaliteten og konsekvenserne for fiskeindustrien.

Det lille fytoplankton, der findes i verdenshavene, er enormt produktivt, og skabe halvdelen af ​​den ilt, vi skal trække vejret. Ligesom landbaserede planter, de bruger fotosyntese til at producere kulhydrater, som de bruger som energikilde. De vokser, opdele og producere enorme mængder biomasse, grundlaget for alt havliv. Ud over, de er en vigtig fødekilde for små krebsdyr, fisk og muslingelarver, som i sig selv er basis for større fisk. Når der er mangel på planteplankton, det bringer fødenettet for alle andre marine organismer i fare.

Der er forskellige grupper af planteplankton rundt om på kloden, og de opfylder forskellige funktioner i marine økosystemer. Nogle er foretrukne fødekilder; andre danner specifikke kemiske forbindelser eller tjener som næringsstoffiksere i vandet, som kan have stor indflydelse på havets flora og fauna. På den anden side, visse grupper af planteplankton kan vokse til tætte masser og producere giftige stoffer; når der er for mange af dem i vandet, det kan være dødeligt for nogle marine organismer, især fisk. Marine planteplankton er også ekstremt vigtige i deres rolle som CO ₂ håndvask. Derfor, forskere er ivrige efter at lære, hvordan populationerne af de respektive fytoplanktongrupper udvikler sig rundt om i verden.

Mere end klorofyl

Imidlertid, indtil for nylig var det praktisk talt umuligt at estimere disse populationer i detaljer. Indrømmet, forskere har indsamlet vandprøver om bord på forskningsfartøjer i årtier, for at identificere og kvantificere det tilstedeværende plankton. Men det er kun tilfældige stikprøver. Og endda satellitter, som har scannet havene med deres sensorer i de sidste tre årtier, var i bedste fald en ufuldkommen løsning:selvom de bestemt kunne bruges til at måle mængden af ​​plantepigmentet klorofyl i vandet - som en indikator for, hvor høj den generelle koncentration af fytoplankton var - var det fortsat ekstremt vanskeligt at skelne mellem de forskellige typer fytoplankton. I øvrigt, der var ingen måde at bruge satellitdata til at forudsige algevækst i specifikke regioner.

Men nu har et internationalt hold ledet af Hongyan Xi og Astrid Bracher fra Alfred Wegener Institute Helmholtz Center for Polar og Havforskning (AWI) for første gang formået at hente langt mere fra satellitdata:som de rapporterer i tidsskriftet Remote Sensing of Miljø, arbejder i tæt samarbejde med det franske selskab ACRI-ST og med støtte fra den europæisk-baserede satellitdataudbyder Copernicus Marine Environment Monitoring Service, de har udviklet en ny algoritme, der kan bruges til at destillere dataene til nøgleinformation om fem vigtigste fytoplanktongrupper.

Refleksion som nøgleparameter

Satellitsensorer registrerer lys ved forskellige bølgelængder; normalt, der bruges de bølgelængder, som er i stand til at opfange klorofylets farve. Men Hongyan Xi og hendes kolleger har fundet en måde at bruge denne bølgelængdeinformation til bedre. Mere specifikt, dette involverer at analysere et aspekt kendt som reflektans (eller refleksionskoefficient), som repræsenterer mængden af ​​sollys, der rammer Jorden, og som reflekteres tilbage i rummet. Denne refleksion skyldes adskillige optiske processer:lyset er spredt, bøjet og ændret af vandmolekyler og partikler i både havet og atmosfæren. "Og planktonet, som i sig selv indeholder visse pigmenter, har indflydelse på reflektansen, " Hongyan Xi forklarer. "Refleksionen kan variere, afhængig af hvilke typer plankton og hvilke pigmenter der er dominerende i vandet." hver af de fem typer efterlader sit eget fingeraftryk på det reflekterede lys – og den nye algoritme kan genkende dem alle.

Omhyggelige sammenligninger af skibs- og satellitdata

Dette gennembrud var kun muligt takket være en enorm mængde hårdt arbejde. Først skulle holdet bestemme, hvilket reflektansmønster der var karakteristisk for hver planktontype. De skulle derefter sammenligne satellitaflæsningerne med planktonprøver indsamlet på samme tid og sted fra ombord på forskningsfartøjer. Heldigvis, resultaterne af mange skibsbaserede ekspeditioner er nu tilgængelige i offentligt tilgængelige databaser. Takket være disse arkiver, eksperterne var i stand til at bestemme, hvor og hvornår vandprøverne var blevet indsamlet, og hvilke arter og typer af plankton, der var til stede. Xi og hendes kolleger analyserede ca. 12, 000 af disse datasæt - og derefter kortlagt hver og én til satellitscanninger taget fra det samme sted på samme tid. Dette gjorde det muligt for dem at udlede, hvordan reflektansen ændrede sig i visse planktontyper.

Vandkvalitet og giftig algeopblomstring

Bevæbnet med disse fund, de var så klar til at udvikle algoritmen. I dag, det kan bruges til at bestemme, hvilke typer fytoplankton der er dominerende i en given havregion på verdensplan, baseret på dens reflektionsinformation. Dette er vigtigt f.eks. at identificere giftige "skadelige algeopblomstringer" (HAB'er). Tilstedeværelsen af ​​visse typer fytoplankton er også en indikator for vandkvaliteten; oplysninger, der er særligt relevante for fiskeindustrien. Ifølge Hongyan Xi:"Derudover, i fremtiden vil vi være i stand til at afgøre, om fordelingen af ​​planteplankton er påvirket af klimaændringer - et vigtigt aspekt i forhold til at forudsige påvirkningerne af økosystemer."

Undersøgelsen blev offentliggjort i tidsskriftet Fjernmåling af miljø under følgende originale titel:"Global retrieval of phytoplankton functional types based on empirical ortogonal functions using CMEMS GlobColour merged products and further extension to OLCI data."