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有害藻类在湖泊、水库大量繁殖

2019-11-07 11藻类

有害藻类在湖泊、水库大量繁殖,会给美国沿海地区和湖泊带来严重问题。当含毒素的水生生物繁殖并形成水华时,它可以使人和宠物生病,污染饮用水,并迫使船只和游泳场所关闭。

由于监测这些通常难以预测的水华的资源有限,水管理人员开始求助于NASA及其合作伙伴的新技术,以检测和跟踪潜在的危险。这在人们用于娱乐和供水的湖泊和水库中尤为重要。

监控藻类的新应用程序

美国环境保护署(EPA)为Android移动设备开发了一款新的应用程序,现在可以在谷歌上使用。根据卫星观测到的水体颜色的具体变化,这款应用程序将在有害藻华可能形成时向官员和公众发出警报。这款app是多机构蓝藻菌评估网络(CyAN)的产品。

“人们感兴趣的是利用遥感作为空中的眼睛,早期预警系统来获取美国内陆湖泊中有害的蓝藻细菌的图片,,”美国国家航空航天局戈达德太空飞行中心青安项目负责人Jeremy Werdell说,青安项目还包括美国环保署、美国地质调查局和美国国家海洋与大气管理局。

“有害藻类在湖泊、水库大量繁殖,资源是有限的,不可能所有人都在地面上一直监测所有内陆水体,”他说。“卫星提供了一种工具,帮助我们了解如何以及何时花费资源去收集水样。”

研究背景

从1978年开始,美国国家航空和宇宙航行局(NASA)就一直在研究太空中的水质。他们使用海岸带颜色扫描仪,利用海洋的颜色来研究浮游植物的数量。后来,美国国家航空航天局(NASA)的泰拉(Terra)和阿卡(Aqua)卫星上搭载的中分辨率成像光谱仪(Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer)等仪器的分辨率足够高,可以分辨较大的内陆湖泊和水库,科学家们开始利用这些数据来探测淡水中蓝藻细菌的特征。

蓝藻细菌自然存在于许多水体中,从五大湖到附近的小池塘。如果数量很少,这些藻类就不是问题。但在适当的条件下——温暖的海水、阳光以及经常冲刷农田的营养物质——蓝藻可以繁殖并形成潜在的有毒藻华,有害藻类在湖泊、水库大量繁殖。

卫星观测藻类繁殖

尽管单个藻类在显微镜下可见,但从太空中仍能看到藻类繁殖。由于蓝藻的主要光合色素,它们大量繁殖时可以形成大片的绿色斑块。它们的存在也可以用荧光来检测,这种荧光是藻类在暴露在阳光下时释放出来的。利用水华的独特特性,NASA/USGS Landsat卫星上的仪器,欧洲航天局的哥白尼Senteinel-2号和哥白尼Sentinel-3号卫星,以及其他几颗卫星,都能够确定藻类的存在。

通过开发处理Sentinel-3卫星观测数据的计算机程序,NASA的超级计算机每周都会生成关于颜色的报告——马里兰州格林贝尔特(Greenbelt)戈达德(Goddard)的研究科学家布里Bridget Seegers表示,作为青绿色项目的一部分,他们收集了全美逾2000个湖泊的水质信息。

新的青绿色应用程序的用户将能够用一个大头针标记一个特定的湖泊——如果湖泊看上去没有水华,大头针将显示绿色;如果有藻类存在,但低于一定的关注阈值,大头针将显示黄色;如果有藻类存在,大头针将显示红色,表明可能存在水华。它不仅是为水质管理人员设计的,西格斯说,而且是为那些把独木舟放在汽车上并讨论去哪儿的人设计的,或者是为那些指导人们去最好的湖划独木舟的人设计的。

美国环境保护署的研究生态学家Blake Schaeffer说,青色计划始于2015年,一直与州和地方机构合作,以识别可能有害的水华。 Schaeffer是该机构这项计划的负责人。

他说,EPA地区和水办公室的水质管理人员与青安合作,对应用程序和卫星数据进行测试和评估,此外,公民科学家团体、部落团体和公众也对这些数据表现出了兴趣。

“我们正在把卫星信息的力量直接交到人民手中,” Schaeffer说。“他们不需要挖掘数据;他们可以选择将数据推送给自己。”

局限性

然而,这个程序确实有局限性。卫星无法穿透云层,而且由于Sentinel-3A的分辨率,湖泊需要比半英里(900米)宽一点才能获得最高质量的数据。

为了观察更小的湖泊和水库,Schaeffer和其他人正在求助于Landsat。由于云层(以及不太频繁的重访)、陆地卫星(Landsat)等问题,科学家们每个月都会对某个特定地点进行一次清晰的测量。但由于陆地卫星的空间分辨率更高,它们可以追踪美国60%以上的湖泊和水库的水质信息,即超过17万个水体的水质信息。

陆地卫星和Sentinel-3是互补的;Landsat具有更高的空间分辨率,而Sentinel-3则更频繁地在各个地点收集数据,并探测更适合蓝藻细菌的波长。此外,Landsat卫星有热传感器,可以用来监测湖泊的表面温度,这是有用的,因为温度升高会促进水华的生长。Schaeffer正在研究如何将这个额外的因素添加到监控程序中。

戈达德的研究人员、陆地卫星科学小组成员Nima Pahlevan说,最终的目标是建立一个水质监测系统,利用来自哨兵2号、陆地卫星和其他卫星的数据,以及收集到的有关水域的信息。

如何最好地利用陆地卫星和哨兵数据

他和他的团队正在研究如何最好地利用陆地卫星和哨兵数据来识别湖泊、河流、水库和其他存在过量藻类的水体。Landsat的任务从20世纪70年代末就开始了,因此研究人员和水资源管理者可以追踪特定湖泊的历史,以确定每个湖泊——甚至可能是某个湖泊图像中的一个单独像素——是否发生了变化,以及它是否预示着水华的到来。

Pahlevan说:“我们希望利用这些近乎实时的图像——在3到4个小时内——我们可以建立一个系统来发布针对每个湖泊或水库的警告。”

该组织面临的一个挑战是,没有多少不同湖泊的水测量数据可供比较和验证卫星报告的内容。在Landsat项目科学办公室的支持下,Pahlevan和他的合作者已经在威斯康星州的格林湾、佛罗里达州的奥基乔比湖和加利福尼亚州的格里兹利湾放置了三种仪器来测量海水,并与Landsat和其他卫星测量结果进行比较。

有了这些来自实地的数据,今年夏天的工作包括使用Landsat和Sentinel-2跟踪几个湖泊,Pahlevan希望在2020年夏天之前建立这个项目,并将其扩展到一个拥有更多位置的操作系统。

对于像Donalea Dinsmore这样在威斯康辛州自然资源部(DNR)工作的人来说,更多的卫星监测工具将是一个受欢迎的补充,作为该州控制有害藻华发生的一套方法。她说,每年夏天,该部门都会收到有关漂浮在湖泊上的绿色淤泥是否有害的问题,或有关狗在湖里游泳或饮水后生病的报告。威斯康辛州的DNR有工作人员监控该州数千个湖泊中的许多湖泊,但他们无法到达所有地方。

引用

NASA/Goddard Space Flight Center. "Harmful algal blooms in lakes, reservoirs." ScienceDaily. ScienceDaily, 21 June 2019.
www.sciencedaily.com/releases/2019/06/190621140339.htm.

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