Tack vare en ny algoritm, forskare vid AWI kan nu använda satellitdata för att avgöra i vilka delar av havet vissa typer av växtplankton är dominerande. Dessutom, de kan identifiera giftiga algblomningar och bedöma effekterna av global uppvärmning på havsplankton, så att de kan dra slutsatser om vattenkvaliteten och konsekvenserna för fiskeindustrin.

Den lilla växtplankton som finns i världens hav är oerhört produktiv, och skapa halva syret vi behöver för att andas. Precis som landbaserade växter, de använder fotosyntes för att producera kolhydrater, som de använder som energikälla. De växer, dela upp och producera enorma mängder biomassa, grunden för allt marint liv. Dessutom, de är en viktig matkälla för små kräftdjur, fisk- och mussellarver, som själva är häftklamrar för större fiskar. När växtplankton är bristfällig, det äventyrar matväven för alla andra marina organismer.

Det finns olika grupper av växtplankton runt om i världen, och de fyller olika funktioner i marina ekosystem. Några är favoritmatkällor; andra bildar specifika kemiska föreningar eller fungerar som näringsfixerare i vattnet, som kan ha stort inflytande på marin flora och fauna. Å andra sidan, vissa grupper av växtplankton kan växa till täta massor och producera giftiga ämnen; när det är för många av dem i vattnet, det kan vara dödligt för vissa marina organismer, särskilt fisk. Marin växtplankton är också oerhört viktigt i sin roll som CO ₂ handfat. Följaktligen, forskare är angelägna om att lära sig hur befolkningen i respektive växtplanktongrupper utvecklas runt om i världen.

Mer än klorofyll

Dock, tills nyligen var det praktiskt taget omöjligt att uppskatta dessa populationer i detalj. Beviljas, forskare har samlat vattenprover från forskningsfartyg ombord i decennier, för att identifiera och kvantifiera närvarande plankton. Men det här är bara slumpmässiga provtagningar. Och till och med satelliter, som har skannat haven med sina sensorer under de senaste tre decennierna, var i bästa fall en ofullkomlig lösning:även om de säkert kunde användas för att mäta mängden växtpigment klorofyll i vattnet - som en indikator på hur hög den allmänna koncentrationen av växtplankton var - var skillnaden mellan de olika typerna av växtplankton fortfarande extremt svår. Dessutom, det fanns inget sätt att använda satellitdata för att förutsäga algtillväxt i specifika regioner.

Men nu har ett internationellt team under ledning av Hongyan Xi och Astrid Bracher från Alfred Wegener Institute Helmholtz Center for Polar and Marine Research (AWI) för första gången lyckats få mycket mer från satellitdata:som de rapporterar i tidskriften Remote Sensing of Miljö, som arbetar i nära samarbete med det franska företaget ACRI-ST och med stöd av den europeiska baserade satellitdataleverantören Copernicus Marine Environment Monitoring Service, de har utvecklat en ny algoritm som kan användas för att destillera data till nyckelinformation om fem växtplanktongrupper.

Reflektion som en nyckelparameter

Satellitsensorer registrerar ljus vid olika våglängder; i vanliga fall, de våglängder används som kan ta upp klorofyllens färg. Men Hongyan Xi och hennes kollegor har hittat ett sätt att använda denna våglängdsinformation bättre. Mer specifikt, detta innebär att man analyserar en aspekt som kallas reflektans (eller reflektionskoefficient), som representerar mängden solljus som träffar jorden som reflekteras tillbaka till rymden. Denna reflektion beror på många optiska processer:ljuset sprids, böjda och förändrade av vattenmolekyler och partiklar i havet och atmosfären. "Och plankton, som i sig innehåller vissa pigment, har inflytande på reflektansen, "Hongyan Xi förklarar." Reflektansen kan variera, beroende på vilka typer av plankton och vilka pigment som är dominerande i vattnet. "Faktum är att var och en av de fem typerna lämnar sitt eget fingeravtryck på det reflekterade ljuset - och den nya algoritmen kan känna igen dem alla.

Noggranna jämförelser av skeppsbaserade och satellitdata

Detta genombrott var bara möjligt tack vare ett enormt hårt arbete. Först måste laget avgöra vilket reflektansmönster som var karakteristiskt för varje planktontyp. De var sedan tvungna att jämföra satellitavläsningarna med planktonprover som samlats in samtidigt och på plats från forskningsfartyg ombord. Lyckligtvis, resultaten från många skeppsbaserade expeditioner är nu tillgängliga i offentligt tillgängliga databaser. Tack vare dessa arkiv, experterna kunde avgöra var och när vattenproverna hade samlats in, och vilka arter och typer av plankton som fanns. Xi och hennes kollegor analyserade ca. 12, 000 av dessa datamängder - och sedan kartlagt var och en till satellitsökningar tagna av samma plats samtidigt. Genom att göra det kunde de härleda hur reflektansen förändrades i vissa planktontyper.

Vattenkvalitet och giftiga algblomningar

Beväpnad med dessa fynd, de var sedan redo att utveckla algoritmen. I dag, den kan användas för att avgöra vilka typer av växtplankton som är dominerande i en viss marinregion världen över, baserat på dess reflektansinformation. Detta är viktigt t.ex. för att identifiera giftiga "skadliga algblomningar" (HAB). Förekomsten av vissa typer av växtplankton är också en indikator på vattenkvaliteten; information som är särskilt relevant för fiskeindustrin. Enligt Hongyan Xi:"Dessutom, i framtiden kommer vi att kunna avgöra om fördelningen av växtplankton påverkas av klimatförändringar eller inte - en viktig aspekt när det gäller att förutsäga effekterna på ekosystem. "

Studien publicerades i tidningen Fjärranalys av miljö under följande originaltitel:"Global hämtning av växtplanktonfunktionstyper baserade på empiriska ortogonala funktioner med CMEMS GlobColour -sammanslagna produkter och ytterligare utvidgning till OLCI -data."