En gåtur gennem regnbuen med PACE

Hvorfor er der så mange sange om regnbuer? Til NASAs kommende Plankton, Aerosol, Sky, ocean økosystem mission, eller PACE, regnbuens farver – eller, hvis du foretrækker det, de synlige bølgelængder af det elektromagnetiske spektrum - er nøglen til at låse op for et væld af nye data om himmel og have rundt om i verden.

PACEs højopløsningsinstrumenter vil se hav- og atmosfæretræk i uovertrufne detaljer, når missionen lanceres i 2023. Ved at måle intensiteten af ​​den farve, der forlader Jordens havoverflade, PACE vil fange fine detaljer om fytoplankton - små plantelignende organismer og alger, der lever i havet - som er grundlaget for det marine fødenet og genererer halvdelen af ​​Jordens ilt. Fordelagtige planteplanktonsamfund giver næring til fiskeriet, men skadelig algeopblomstring (HAB'er) kan forgifte dyr og mennesker og forstyrre turisme- og fiskeindustrien.

Når det kommer til "havfarve, " Både bølgelængden og intensiteten af ​​de farver, der forlader havet er vigtige. Forskellige arter af fytoplankton og andre stoffer i en vandmasse absorberer og reflekterer forskellige farver af lys:klart åbent havvand ser blåt ud, vand med masser af planteplankton fremstår ofte som grønt eller turkis, og vand nær kysten ser brunt ud på grund af suspenderede sedimenter og opløst organisk materiale. PACE kan se små variationer i disse synlige farveforskelle i langt flere detaljer end nogensinde før.

Mens PACE ser alle regnbuens farver over havet og atmosfæren, det vil give videnskabsmænd nye opdagelser på hver bølgelængde.

Ultraviolet og Violet

Ultraviolette bølgelængder (som er usynlige for det menneskelige øje) og violette bølgelængder (som er synlige) hjælper videnskabsmænd med at lære om aerosoler:partikler i atmosfæren, der kan være organiske eller uorganiske, fast eller flydende, lige fra støv og sod til havsalt og kemiske dråber. Disse bølgelængder hjælper med at afsløre, om målte aerosoler er naturlige eller kommer fra menneskelige aktiviteter.

Ultraviolette og violette bølgelængder vil også hjælpe forskere med at studere partikler opløst i havet - specifikt, at skelne mellem klorofyl (et grønt pigment, der findes i alt fytoplankton) og andre organiske materialer. At kende forskellen er vigtigt for at studere, hvor meget kulstof der synker og bliver lagret i det dybe hav.

"Ikke alt plankton gør det samme, når det kommer til kulstof, " sagde Ivona Cetinić, en oceanograf ved NASAs Goddard Space Flight Center (GSFC) og PACEs projektleder for biogeokemi. "Nogle er bedre producenter, nogle er bedre sequesterere, der trækker kuldioxid ned. Når kulstoffet kommer ind i planktonet, hvad der sker senere afhænger af typen af ​​plankton. Hvis den er lillebitte, der er en stor chance for, at den bliver ædt af et zooplankton - de er små bitte køer, ingen? – som vil blive spist af en større, og så videre. Hvis disse reaktioner sker tæt på overfladen, kulstoffet kommer tilbage til atmosfæren. Hvis dyreplanktonet bager, kulstoffet går ned i det dybe hav."

Blå

Blå bølgelængder hjælper forskere med at skelne mellem fytoplanktonarter. Fra kiselalger til dinoflagellater, hver planteplanktonart har sin egen identitet:Forskellige funktioner i økosystemet, forskellige ernæringsbehov (og indhold, for rovdyr!), og vigtigst af alt for Ocean Color Instrument (OCI), forskellige bølgelængder af lys, som de absorberer og spreder. Farver i det blå område af spektret vil gøre det muligt for forskere at se sammensætningen af ​​fytoplanktonsamfund.

"Hvis du ser på en eng, det hele ser grønt ud i dine øjne, men du vil kende alle spillerne i det økosystem, " sagde Cetinić. "Det er sjældent, at man kun får én type plankton i et samfund; det er meget mere sandsynligt, at de vil arbejde sammen. De udgør et mikrobielt fødenet. PACE vil give os mulighed for at løse, ikke kun en eller to arter, men hele samfundet."

At spore fytoplanktonsamfundets sammensætning og sundhed er ikke kun vigtigt for at forstå havet nu, men også for at forudsige, hvordan det kunne ændre sig i fremtiden.

Grøn

Grønne bølgelængder bruges ofte som reference for den samlede mængde partikler i luften. Disse kombineres med kortere og længere bølgelængder for yderligere at bestemme størrelsen af ​​disse partikler. Størrelse er en vigtig faktor for at hjælpe videnskabsmænd med at vide, hvad de leder efter. Naturlige aerosoler som støv eller havsalt har tendens til at have større partikler end menneskeproducerede som sod eller røg, så partikelstørrelse hjælper med at identificere aerosolers kilder.

"Der er flere grunde til, at det er vigtigt at forstå aerosoler bedre, " sagde Andrew Sayer, en atmosfærisk videnskabsmand ved NASA GSFC og PACE's projektleder for atmosfærer. "En grund er mere brugbare luftkvalitetsprognoser. En anden er forbundet med klimaet:Den afkølende eller opvarmende effekt aerosoler har på klimaet, den måde, de interagerer med skyer på og påvirker skyens levetid, er afhængig af den vertikale fordeling af alle disse funktioner. Vi vil være bedre i stand til at overvåge dette fra rummet. Satellitdata kan bruges til at undersøge klimamodellerne mere grundigt og forbedre dem."

Tilsvarende forskellige planteplanktonarter har forskellige størrelser, så denne variabel hjælper med at identificere, hvem der er hvem i et planktonsamfund.

Gul og Orange

OCI's gule og orange bølgelængder hjælper videnskabsmænd med at spore fytoplanktons sundhed og fysiologi. Forskere kan bestemme, hvor sundt et fytoplanktonsamfund er ved at se på, hvor hurtigt fytoplanktonet vokser, hvor effektiv deres fotosyntese er, og hvilken farve de har – al information kan de indsamle med gule og orange bølgelængder.

At forstå phytoplankton sundhed kan hjælpe med at forudsige skadelige algeopblomstringer, eller HAB'er. Når stoffer fra land skylles ud i havet, de bliver nogle gange en fest for alger, lader dem spise, vokse og formere sig hurtigt. HAB'er kan generere skadelige toksiner, der skader havets dyreliv og mennesker og nedbryder ilt i vandet, da bakterier lever af adskillige døde alger.

"Skadelige algeopblomstringer er ikke nyere. Vi har skrifter fra oprindelige stammer i det nordvestlige Stillehav, der taler om ting, der sker på stranden, " sagde Cetinić. "Det er bare det, at vi i dag leder efter det mere, og også menneskeskabte påvirkninger gør blomstringen mere udbredt."

Mens naturligt forekommende mineraler kan løbe ud i havet og fodre alger, kemikalier produceret af mennesker - græsgødning, spildevandsbehandlingskemikalier og landbrugskemikalier, for eksempel - er en meget større synder.

"Når ethvert økosystem er i balance, det er aldrig statisk. En ting er dominerende, så vælter det, " sagde Cetinić. "Men når et økosystem bliver skubbet ud af sin rytme, én ting bliver dominerende. Under en skadelig algeopblomstring, kun én art har evnen til at vokse rigtig hurtigt, og det tager over."

Rød og nær-infrarød

Røde og nær-infrarøde bølgelængder giver holdet et kig ind i en anden del af havet:Kystområder, med vand fodret af floder og lavvandede bunde med sedimenter, der kan suspenderes efter en storm, er ofte meget anderledes farvet end det åbne hav. Variationer i farverne, der reflekteres tilbage fra kystområder, giver ikke kun forskerne fingerpeg om sundheden for de organismer, der lever der, som også hjælper dem med at forberede sig på kystnære HAB'er, men også informere om udstrømninger fra flodsystemer og vandskeldynamik.

"Med PACE, vi kan se de tidlige udviklingsstadier af blomstringen og sige, hvilken art det er, " sagde Cetinić. Tidlige advarsler giver virksomheder i kystområder mulighed for at forberede sig på HAB-påvirkninger, som ikke at høste eller sælge fisk, der spiser de giftige alger, forberede veterinærkontorer til en tilstrømning af syge dyr, beluftning af vandet for at forhindre bundlevende skabninger i at lide mangel på ilt, og advare forbrugerne om ikke at spise sardiner eller østers, tilføjede hun.

"Mange af den slags tidlige varslingssystemer og foranstaltninger er allerede på plads i disse kystområder, så vi tilføjer vores data til deres systemer, " sagde Cetinić. "Tidlig information sparer altid penge for lokale økonomier."

Kortbølget infrarød

Lige uden for området for synligt lys er de kortbølgede infrarøde (SWIR) bølgelængder, som har en række anvendelsesmuligheder for både atmosfæren og havet.

SWIR-bølgelængder hjælper videnskabsmænd med at bestemme, hvor klar atmosfæren er over havet, hvilket er vigtigt for beregninger af havets egenskaber ved overfladen. Det hjælper også med lignende beregninger for atmosfæren over kysten, som hjælper med studier af skyer og kystbiologi.

"Skyer reflekterer sollys, de fanger varme og lys, " sagde Sayer. "Vi har brug for en meget nøjagtig forståelse af deres lysstyrke og fysiske placering."

Ved også at overvåge, hvor meget sollys der bliver blokeret af aerosoler, OCI vil hjælpe videnskabsmænd med at løse et vigtigt hul i modellering, sagde Sayer. Skyer og aerosoler interagerer med hinanden i atmosfæren, men forskerne har brug for mere information om hvordan og hvor.

"Der er nogle sæsonbetingede gentagne aerosolfunktioner, hvor du ofte får aerosoler over skyerne, " sagde han. "F.eks. i det sydøstlige Atlanterhav, der brænder meget landbrugsbiomasse i det centrale og sydlige Afrika, som topper i august til oktober. Meget af det blæser af over havet, hvor der er et lavtliggende skydæk. Det ligner det i Sydøstasien. Disse aerosoler gør det sværere at præcist bestemme skyens egenskaber."

På samme måde, skyer gør det sværere at studere aerosoler, han sagde.

"Hvis du er en klimamodeller, der prøver at modellere transporten af ​​aerosoler rundt om i verden, der er store områder af verden, hvor du får begrænsede mængder nyttige data, " forklarede han. "Med OCI, at have flere spektralbånd vil virkelig hjælpe med at udfylde nogle af disse huller. At have et hyperspektralt instrument, der går ind i det ultraviolette område, vil gøre det meget lettere at kvantificere disse aerosoler, især i kombination med polarimetrene."