Благодаря новому алгоритму исследователи из AWI теперь могут использовать спутниковые данные, чтобы определить, в каких частях океана доминируют определенные типы фитопланктона. Кроме того, они могут выявлять токсичные цветки водорослей и оценивать последствия глобального потепления для морского планктона, что позволяет им делать выводы относительно качества воды и последствий для рыбной промышленности.
Крошечный фитопланктон, найденный в Мировом океане, чрезвычайно продуктивен и создает половину кислорода, который нам нужен для дыхания. Точно так же, как наземные растения, он использует фотосинтез для производства углеводов, которые растения используют в качестве источника энергии. Они растут, делятся и производят огромное количество биомассы, являющейся основой всей морской жизни.
Кроме того, они являются важным источником пищи для мелких ракообразных, рыб и личинок мидий, которые сами являются основными продуктами питания для более крупных рыб. Когда фитопланктон находится в дефиците, это ставит под угрозу пищевую сеть для всех других морских организмов.
Существуют различные группы фитопланктона по всему земному шару, они выполняют различные функции в морских экосистемах. Некоторые из них являются излюбленными источниками пищи, а другие образуют специфические химические соединения или служат питательными веществами-фиксаторами в воде, которые могут оказывать значительное влияние на морскую флору и фауну.
Определенные группы фитопланктона могут разрастаться до плотных масс и вырабатывать токсичные вещества. Когда их слишком много в воде, это может быть смертельно для некоторых морских организмов, особенно рыб.
Больше, чем хлорофилл
Однако до недавнего времени было практически невозможно детально оценить эти популяции. Исследователи собирали пробы воды с борта научно-исследовательских судов в течение десятилетий, чтобы идентифицировать и количественно оценить существующий планктон. Но это только случайные выборки.
И даже спутники, которые сканировали океаны с помощью своих датчиков в течение последних трех десятилетий, были в лучшем случае несовершенным решением. Невозможно использовать спутниковые данные для прогнозирования роста водорослей в конкретных регионах.
Но теперь международная команда во главе с Хонгян Си и Астрид Брахер из института Гельмгольца, центр полярных и морских исследований (Германия), впервые удалось почерпнуть гораздо больше из спутниковых данных. Они разработали новый алгоритм, который можно использовать для обмена данных о пяти основных группах фитопланктона.
Коэффициент отражения как ключевой параметр
Спутниковые датчики регистрируют свет на различных длинах волн. Обычно используются те длины волн, которые способны улавливать цвет хлорофилла. Но Хонгян Си с коллегами нашли способ лучше использовать эту информацию о длине волны. Более конкретно, это включает в себя анализ аспекта, известного как коэффициент отражения, который представляет собой количество солнечного света, падающего на Землю и отражающегося обратно в космос. Это отражение обусловлено многочисленными оптическими процессами: свет рассеивается, изгибается и изменяется молекулами и частицами воды в океане и атмосфере одинаково.
«Планктон, который сам по себе содержит определенные пигменты, оказывает влияние на коэффициент отражения, – объясняет Хонгян Си. – Коэффициент отражения может различаться в зависимости от того, какие виды планктона и какие пигменты доминируют в воде».
Тщательное сопоставление корабельных и спутниковых данных
Этот прорыв стал возможен только благодаря огромному количеству кропотливой работы. Сначала команда должна была определить, какая картина отражения была характерна для каждого типа планктона. Затем они должны были сравнить спутниковые данные с образцами планктона, собранными в то же время и в том же месте с борта научно-исследовательских судов.
Результаты многих наблюдений теперь доступны в общедоступных базах данных. Благодаря этим архивам специалисты смогли определить, где и когда были собраны пробы воды, а также какие виды планктона присутствовали. Это позволило им сделать вывод о том, как изменяется коэффициент отражения в некоторых типах планктона.
Качество воды и токсичное цветение водорослей
Вооружившись этими выводами, ученые разработали алгоритм. Сегодня он может быть использован для определения того, какие типы фитопланктона являются доминирующими в любом морском регионе мира. Это важно, например, для выявления токсичных «вредных цветков водорослей».
Наличие определенных видов фитопланктона также является показателем качества воды. Эта информация особенно актуальна для рыбной промышленности. По словам Хонгян Си: «В будущем мы сможем определить, влияет ли изменение климата на распределение фитопланктона. Это важный аспект с точки зрения прогнозирования воздействия на экосистемы».
