Varför finns det så många låtar om regnbågar? För NASA:s kommande Plankton, Aerosol, Moln, ocean ekosystem uppdrag, eller PACE, regnbågens färger – eller, om du föredrar, de synliga våglängderna i det elektromagnetiska spektrumet – är nyckeln till att låsa upp en mängd nya data om himmel och hav runt om i världen.

PACEs högupplösta instrument kommer att se havs- och atmosfärsdrag i oöverträffade detaljer när uppdraget lanseras 2023. Genom att mäta intensiteten på färgen som lämnar jordens havsyta, PACE kommer att fånga fina detaljer om växtplankton - små växtliknande organismer och alger som lever i havet - som är grunden för det marina näringsnätet och genererar hälften av jordens syre. Nyttiga växtplanktonsamhällen ger bränsle till fisket, men skadliga algblomningar (HAB) kan förgifta djur och människor och störa turism och fiskeindustri.

När det kommer till "havfärg, " både våglängden och intensiteten hos färgerna som lämnar havet är viktiga. Olika arter av växtplankton och andra ämnen i en vattenkropp absorberar och reflekterar olika färger av ljus:klart vatten i öppet hav ser blått ut, vatten med mycket växtplankton ser ofta grönt eller turkost ut, och vatten nära kusten ser brunt ut på grund av suspenderade sediment och löst organiskt material. PACE kan se små variationer i dessa synliga färgskillnader i mycket mer detalj än någonsin tidigare.

När PACE ser alla regnbågens färger över havet och atmosfären, det kommer att förse forskare med nya upptäckter vid varje våglängd.

Ultraviolett och violett

Ultravioletta våglängder (som är osynliga för det mänskliga ögat) och violetta våglängder (som är synliga) hjälper forskare att lära sig om aerosoler:partiklar i atmosfären som kan vara organiska eller oorganiska, fast eller flytande, allt från damm och sot till havssalt och kemiska droppar. Dessa våglängder hjälper till att avslöja om uppmätta aerosoler är naturliga eller kommer från mänskliga aktiviteter.

Ultravioletta och violetta våglängder kommer också att hjälpa forskare att studera partiklar lösta i havet - specifikt, för att skilja mellan klorofyll (ett grönt pigment som finns i allt växtplankton) och andra organiska material. Att veta skillnaden är viktigt för att studera hur mycket kol som sjunker och lagras i djuphavet.

"Allt plankton gör inte samma sak när det gäller kol, " sa Ivona Cetinić, en oceanograf vid NASA:s Goddard Space Flight Center (GSFC) och PACE:s projektledare för biogeokemi. "Vissa är bättre producenter, vissa är bättre bindare som drar ner koldioxid. När kolet kommer in i planktonet, vad som händer senare beror på typen av plankton. Om det är litet, det finns en stor chans att den blir uppäten av ett djurplankton - de är små kor, Nej? – som kommer att ätas av en större, och så vidare. Om dessa reaktioner sker nära ytan, kolet kommer tillbaka till atmosfären. Om djurplanktonet bajsar, kolet går ner i djuphavet."

Blå

Blå våglängder hjälper forskare att skilja mellan växtplanktonarter. Från kiselalger till dinoflagellater, varje växtplanktonart har sin egen identitet:Olika funktioner inom ekosystemet, olika näringsbehov (och innehåll, för rovdjur!), och viktigast av allt för Ocean Color Instrument (OCI), olika våglängder av ljus som de absorberar och sprider. Färger i det blå spektrumet av spektrumet gör det möjligt för forskare att se sammansättningen av växtplanktonsamhällen.

"Om du tittar på en äng, allt ser grönt ut för dina ögon, men du vill veta alla aktörer i det ekosystemet, " sa Cetinić. "Det är sällsynt att man får bara en typ av plankton i ett samhälle; det är mycket mer troligt att de kommer att arbeta tillsammans. De utgör ett mikrobiellt näringsnät. PACE kommer att tillåta oss att lösa, inte bara en eller två arter, men hela samhället."

Att spåra växtplanktonsamhällets sammansättning och hälsa är inte bara viktigt för att förstå havet nu, men också för att förutsäga hur det kan förändras i framtiden.

Grön

Gröna våglängder används ofta som referens för den totala mängden partiklar i luften. Dessa kombineras med kortare och längre våglängder för att ytterligare bestämma storleken på dessa partiklar. Storleken är en viktig faktor för att hjälpa forskare att veta vad de letar efter. Naturliga aerosoler som damm eller havssalt tenderar att ha större partiklar än mänskligt producerade som sot eller rök, så partikelstorlek hjälper till att identifiera aerosolers källor.

"Det finns flera anledningar till att det är viktigt att bättre förstå aerosoler, sa Andrew Sayer, en atmosfärsforskare vid NASA GSFC och PACEs projektledare för atmosfärer. "En anledning är mer användbara luftkvalitetsprognoser. En annan är kopplad till klimatet:Den kylande eller värmande effekten aerosoler har på klimatet, hur de interagerar med moln och påverkar molnets livslängd, är beroende av den vertikala fördelningen av alla dessa funktioner. Vi kommer att bättre kunna övervaka detta från rymden. Satellitdata kan användas för att undersöka klimatmodellerna mer grundligt och förbättra dem."

Liknande, olika växtplanktonarter är olika stora, så denna variabel hjälper till att identifiera vem som är vem i ett planktonsamhälle.

Gul och Orange

OCI:s gula och orangea våglängder hjälper forskare att spåra växtplanktons hälsa och fysiologi. Forskare kan avgöra hur friskt ett växtplanktonsamhälle är genom att titta på hur snabbt växtplanktonet växer, hur effektiv deras fotosyntes är och vilken färg de har – all information de kan samla in med gula och orangea våglängder.

Att förstå växtplanktons hälsa kan hjälpa till att förutsäga skadliga algblomningar, eller HAB. När ämnen från land sköljer ut i havet, de blir ibland en fest för alger, låta dem äta, växa och föröka sig snabbt. HABs kan generera skadliga gifter som gör marina djur och människor sjuka och tömmer syre i vattnet när bakterier livnär sig på många döda alger.

"Skadliga algblomningar är inte nya. Vi har skrifter från inhemska stammar i Pacific Northwest som talar om saker som händer på stranden, " sa Cetinić. "Det är bara det att vi idag letar efter det mer, och även antropogena influenser gör blomningar mer utbredda."

Även om naturligt förekommande mineraler kan rinna ut i havet och mata alger, kemikalier som produceras av människor - gräsgödsel, kemikalier för avloppsrening och jordbrukskemikalier, till exempel – är en mycket större boven.

"När något ekosystem är i balans, det är aldrig statiskt. En sak är dominerande, så rullar det över, " sa Cetinić. "Men när ett ekosystem trycks ur sin rytm, en sak blir dominerande. Under en skadlig algblomning, bara en art har förmågan att växa riktigt snabbt, och det tar över."

Röd och nära-infraröd

Röda och nära-infraröda våglängder ger teamet en titt in i en annan del av havet:kustområden, med vatten som matas av floder och grundare bottnar med sediment som kan sväva upp efter en storm, är ofta mycket annorlunda färgade än det öppna havet. Variationer i färgerna som reflekteras tillbaka från kustområden ger inte bara forskarna ledtrådar till hälsan hos de organismer som lever där, vilket också hjälper dem att förbereda sig för kustnära HAB, men också informera om utflöden från flodsystem och vattendelardynamik.

"Med PACE, vi kan se de tidiga utvecklingsstadierna av blomningar och säga vilken art det är, " sa Cetinić. Tidiga varningar tillåter företag i kustområden att förbereda sig för HAB-påverkan, som att inte skörda eller sälja fisk som konsumerar de giftiga algerna, förbereda veterinärkontor för en tillströmning av sjuka djur, luftar vattnet för att förhindra att bottenlevande varelser lider av syrebrist, och varna konsumenter för att inte äta sardiner eller ostron, tillade hon.

"Många av dessa typer av tidig varningssystem och åtgärder finns redan på plats i dessa kustområden, så vi kommer att lägga till vår data till deras system, ", sa Cetinić. "Tidig information sparar alltid pengar för lokala ekonomier."

Kortvågig infraröd

Strax utanför området för synligt ljus finns de kortvågiga infraröda (SWIR) våglängderna, som har ett antal användningsområden för både atmosfären och havet.

SWIR-våglängder hjälper forskare att avgöra hur klar atmosfären är över havet, vilket är viktigt för beräkningar av havsegenskaper vid ytan. Det hjälper också med liknande beräkningar för atmosfären över kusten, som hjälper till med studier av moln och kustbiologi.

"Moln reflekterar solljus, de fångar värme och ljus, Sayer sa. "Vi behöver en mycket exakt förståelse av deras ljusstyrka och fysiska plats."

Genom att också övervaka hur mycket solljus som blockeras av aerosoler, OCI kommer att hjälpa forskare att lösa en viktig lucka i modellering, sa Sayer. Moln och aerosoler interagerar med varandra i atmosfären, men forskare behöver mer information om hur och var.

"Det finns några säsongsvis återkommande aerosolfunktioner där du ofta får aerosoler ovanför molnen, " sa han. "T.ex. i sydöstra Atlanten, det brinner mycket biomassa från jordbruket i centrala och södra Afrika, som toppar i augusti till oktober. Mycket av det blåser av över havet, där det finns ett lågt liggande molndäck. Det är liknande i Sydostasien. Dessa aerosoler gör det svårare att exakt bestämma molnegenskaper."

På samma sätt, moln gör det svårare att studera aerosoler, han sa.

"Om du är en klimatmodellerare som försöker modellera transporten av aerosoler runt om i världen, det finns stora delar av världen där du får begränsade mängder användbar data, " förklarade han. "Med OCI, att ha fler spektralband kommer verkligen att hjälpa till att fylla några av dessa luckor. Att ha ett hyperspektralt instrument som går in i det ultravioletta området kommer att göra det mycket lättare att kvantifiera dessa aerosoler, speciellt i kombination med polarimetrarna."