När vissa typer av alger ackumuleras vid havsytan i stort antal, de gör stora vattensträngar till en rödbrun färg, väcker uppmärksamhet av både goda och dåliga skäl.

Utanför södra Kaliforniens kust dessa händelser, känd som "röda tidvatten, "kan producera imponerande nattljusshower genom att belysa brytande vågor och skapa kusliga blå spår bakom surffiskar. Men i andra områden som utanför Florida och i de stora sjöarna kan dessa blommor vara giftiga, orsakar fiskens död, skaldjursförgiftning, och utlöser andningsproblem hos människor och marina däggdjur.

I över ett sekel har forskare har försökt förstå vad som orsakar att röda tidvatten bildas i kustområden till synes ur ingenstans. Med hjälp av en ny teknik utvecklad av Scripps Institution of Oceanography vid University of California San Diego -forskaren George Sugihara och kollegor, att mysteriet äntligen håller på att avslöjas.

En studentledd Scripps-forskargrupp analyserade data om det primära pigmentet i alger-klorofylla-samt näringskoncentrationer och olika fysiska aspekter av havet som samlats in från Scripps Pier som en del av ett kontinuerligt observationsprogram, ledd av Scripps emeritusprofessor John McGowan, som är en del av Scripps Shore Stations Program.

När de ekologiska data matades in i Sugiharas ekvationsfria modeller, känd som empirisk dynamisk modellering (EDM), forskarna kunde identifiera mönster i den skenbara slumpmässighet som kan användas för att förutsäga röda tidvatten utanför södra Kalifornien.

Den nya studien, att publiceras i tidningen Ekologi och tillgänglig online, fann att röda tidvatten inte är rent slumpmässigt. Det erbjuder möjligheter att förutsäga dessa skadliga algblomningar som inte kunde förutsägas med traditionella ekologiska modelleringsmetoder.

"Röda tidvatten var ett mysterium i så många år eftersom vi tittade på ekosystemet som om det var i jämvikt och oförändrat och därför kunde studeras en bit i taget, sa Sugihara, McQuown Chair Distinguished Professor of Natural Science och en senior författare till studien. "Det var ett mysterium bara för att vi tittade på det på fel sätt. Att leta efter saker som helt enkelt" korrelerar "med röda tidvatten kommer att misslyckas."

EDM -metoden bygger på tanken att ekosystemet alltid förändras och måste studeras som ett helhetssystem snarare än som separata delar. Genom att analysera ekosystemen holistiskt gjorde Sugihara och hans team att använda det 30-åriga arkivet med fältdata för att identifiera mekanismerna som orsakar tidvatten.

"Även med stora förbättringar av" ekosystemprognoser "under de senaste decennierna, det är fortfarande en stor utmaning för forskare, "sa Alan Tessier, biträdande chef för National Science Foundation (NSF) Division of Environmental Biology. "Denna forskning visar att utmaningen övervinns med hjälp av innovativa tekniker som ger oss information, till exempel hur man förutspår tidvatten. Det är viktigt för att veta när man ska stänga fiske och badområden, och för hälsan hos invånare som bor längs drabbade vatten. "

"Tillvägagångssättet tillät oss att hitta faktorer som sammanfaller som en perfekt storm för att producera en röd tidvatten, "sa Sugihara." Dessa faktorer inkluderar att ha en stabil vattenspelare och låga näringsnivåer i ytvatten. "

Med ytterligare modellförbättringar för att införliva observationer i realtid, Sugihara och team tror att dessa algblomningar kan förutsägas som en del av ett system för tidig varning för framtida rödvattenhändelser.

Förutom folkhälsoproblemen, dessa algblomningar orsakar driftsproblem vid kraft- och avsaltningsanläggningar, och skapa syreutarmade zoner i havet. Avancerad förutsägelse av röda tidvatten kan bidra till att ge mer proaktiva svar på människors och djurs hälsa, vägleda tillfälliga avstängningar av avsaltningsanläggningar, och stöd i planeringen av militär träningsövning i kustvatten.

"Denna forskning hade inte varit möjlig utan tidsserieobservationer av växtplankton för att validera modelleringsinsatser, "sa David Garrison, chef för NSF:s biologiska oceanografiprogram. "Resultaten är viktiga för att hantera samhällsproblem som skadliga algblomningar i kustvatten."