Dankzij een nieuw algoritme Onderzoekers van het AWI kunnen nu met satellietdata bepalen in welke delen van de oceaan bepaalde soorten fytoplankton dominant zijn. In aanvulling, ze kunnen giftige algenbloei identificeren en de effecten van de opwarming van de aarde op marien plankton beoordelen, waardoor ze conclusies kunnen trekken over de waterkwaliteit en de gevolgen voor de visserij.

Het kleine fytoplankton in de oceanen van de wereld is enorm productief, en creëren de helft van de zuurstof die we nodig hebben om te ademen. Net als planten op het land, ze gebruiken fotosynthese om koolhydraten te produceren, die ze gebruiken als energiebron. Ze groeien, enorme hoeveelheden biomassa verdelen en produceren, de basis van al het zeeleven. In aanvulling, ze zijn een essentiële voedselbron voor kleine schaaldieren, vissen en mossellarven, die zelf nietjes zijn voor grotere vissen. Wanneer fytoplankton schaars is, het brengt het voedselweb voor alle andere mariene organismen in gevaar.

Er zijn verschillende groepen fytoplankton over de hele wereld, en ze vervullen verschillende functies in mariene ecosystemen. Sommige zijn favoriete voedselbronnen; andere vormen specifieke chemische verbindingen of dienen als voedingsstofbinders in het water, die een grote invloed kunnen hebben op de mariene flora en fauna. Anderzijds, bepaalde groepen fytoplankton kunnen uitgroeien tot dichte massa's en giftige stoffen produceren; als er te veel van in het water zijn, het kan dodelijk zijn voor sommige mariene organismen, vooral vissen. Marien fytoplankton is ook uiterst belangrijk in hun rol als CO ₂ wasbak. Overeenkomstig, onderzoekers willen graag weten hoe de populaties van de respectievelijke fytoplanktongroepen zich over de hele wereld ontwikkelen.

Meer dan chlorofyl

Echter, tot voor kort was het vrijwel onmogelijk om deze populaties in detail in te schatten. Toegekend, onderzoekers verzamelen al tientallen jaren watermonsters aan boord van onderzoeksschepen, om het aanwezige plankton te identificeren en te kwantificeren. Maar dit zijn slechts willekeurige steekproeven. En zelfs satellieten, die de afgelopen drie decennia de oceanen hebben gescand met hun sensoren, waren op zijn best een onvolmaakte oplossing:hoewel ze zeker konden worden gebruikt om de hoeveelheid plantenpigment chlorofyl in het water te meten - als een indicator van hoe hoog de algemene concentratie fytoplankton was - bleef het onderscheid tussen de verschillende soorten fytoplankton uiterst moeilijk. Bovendien, er was geen manier om satellietgegevens te gebruiken om de groei van algen in specifieke regio's te voorspellen.

Maar nu is een internationaal team onder leiding van Hongyan Xi en Astrid Bracher van het Alfred Wegener Institute Helmholtz Center for Polar and Marine Research (AWI) er voor het eerst in geslaagd om veel meer uit satellietgegevens te halen:zoals ze rapporteren in het tijdschrift Remote Sensing of Omgeving, in nauwe samenwerking met het Franse bedrijf ACRI-ST en met de steun van de in Europa gevestigde leverancier van satellietgegevens Copernicus Marine Environment Monitoring Service, ze hebben een nieuw algoritme ontwikkeld dat kan worden gebruikt om de gegevens te destilleren tot belangrijke informatie over vijf belangrijke fytoplanktongroepen.

Reflectie als een belangrijke parameter

Satellietsensoren registreren licht op verschillende golflengten; normaal gesproken, die golflengten worden gebruikt die in staat zijn om de kleur van het chlorofyl op te pikken. Maar Hongyan Xi en haar collega's hebben een manier gevonden om deze golflengte-informatie beter te gebruiken. Specifieker, dit omvat het analyseren van een aspect dat bekend staat als reflectie (of reflectiecoëfficiënt), die staat voor de hoeveelheid zonlicht die op de aarde valt en wordt teruggekaatst in de ruimte. Deze reflectie is te wijten aan tal van optische processen:het licht wordt verstrooid, gebogen en veranderd door watermoleculen en deeltjes in de oceaan en de atmosfeer. "En het plankton, die zelf bepaalde pigmenten bevat, heeft invloed op de reflectie, " legt Hongyan Xi uit. "De reflectie kan verschillen, afhankelijk van welke soorten plankton en welke pigmenten dominant zijn in het water." elk van de vijf typen laat zijn eigen vingerafdruk achter op het gereflecteerde licht - en het nieuwe algoritme kan ze allemaal herkennen.

Nauwkeurige vergelijkingen van gegevens op schepen en satellieten

Deze doorbraak was alleen mogelijk dankzij een enorme hoeveelheid hard werk. Eerst moest het team bepalen welk reflectiepatroon kenmerkend was voor elk planktontype. Vervolgens moesten ze de satellietmetingen vergelijken met planktonmonsters die op hetzelfde tijdstip en op dezelfde plaats waren verzameld aan boord van onderzoeksschepen. Gelukkig, de bevindingen van veel expedities op schepen zijn nu beschikbaar in openbaar toegankelijke databases. Dankzij deze archieven konden de experts bepalen waar en wanneer de watermonsters waren genomen, en welke soorten en soorten plankton aanwezig waren. Xi en haar collega's analyseerden ca. 12, 000 van deze datasets - en ze vervolgens allemaal in kaart gebracht op satellietscans die op hetzelfde moment van dezelfde plaats waren gemaakt. Hierdoor konden ze afleiden hoe de reflectie veranderde in bepaalde soorten plankton.

Waterkwaliteit en giftige algenbloei

Gewapend met deze bevindingen, ze waren toen klaar om het algoritme te ontwikkelen. Vandaag, het kan worden gebruikt om te bepalen welke soorten fytoplankton dominant zijn in een bepaald zeegebied wereldwijd, gebaseerd op de reflectie-informatie. Dit is belangrijk b.v. om giftige "schadelijke algenbloei" (HAB's) te identificeren. De aanwezigheid van bepaalde soorten fytoplankton is ook een indicator voor de waterkwaliteit; informatie die van bijzonder belang is voor de visserijsector. Volgens Hongyan Xi:"Bovendien, in de toekomst zullen we kunnen bepalen of de verspreiding van fytoplankton al dan niet wordt beïnvloed door klimaatverandering - een belangrijk aspect in termen van het voorspellen van de effecten op ecosystemen."

De studie werd gepubliceerd in het tijdschrift Remote sensing van de omgeving onder de volgende originele titel:"Global ophalen van fytoplankton-functionele typen op basis van empirische orthogonale functies met behulp van samengevoegde CMEMS GlobColour-producten en verdere uitbreiding naar OLCI-gegevens."