Waarom zijn er zoveel liedjes over regenbogen? Voor NASA's aanstaande Plankton, Aërosol, Wolk, oceaan Ecosysteem missie, of TEMPO, de kleuren van de regenboog - of, als je wilt, de zichtbare golflengten van het elektromagnetische spectrum - zijn de sleutel tot het ontsluiten van een schat aan nieuwe gegevens over luchten en zeeën over de hele wereld.

De instrumenten met hoge resolutie van PACE zullen oceaan- en atmosfeerkenmerken in ongeëvenaard detail zien wanneer de missie in 2023 wordt gelanceerd. Door de intensiteit van de kleur te meten die het oceaanoppervlak van de aarde verlaat, PACE zal fijne details vastleggen over fytoplankton - kleine plantachtige organismen en algen die in de oceaan leven - die de basis vormen van het mariene voedselweb en de helft van de zuurstof op aarde genereren. Gunstige fytoplanktongemeenschappen voeden de visserij, maar schadelijke algenbloei (HAB's) kan dieren en mensen vergiftigen en de toerisme- en visserijsector verstoren.

Als het gaat om "oceaankleur, " zowel de golflengte als de intensiteit van de kleuren die de oceaan verlaten zijn belangrijk. Verschillende soorten fytoplankton en andere stoffen in een waterlichaam absorberen en reflecteren verschillende kleuren licht:helder open oceaanwater lijkt blauw, water met veel fytoplankton lijkt vaak groen of turkoois, en water bij de kust ziet er bruin uit door gesuspendeerde sedimenten en opgelost organisch materiaal. PACE kan kleine variaties in deze zichtbare kleurverschillen veel gedetailleerder zien dan ooit tevoren.

Terwijl PACE alle kleuren van de regenboog boven de oceaan en de atmosfeer ziet, het zal wetenschappers op elke golflengte nieuwe ontdekkingen bieden.

Ultraviolet en Violet

Ultraviolette golflengten (die onzichtbaar zijn voor het menselijk oog) en violette golflengten (die zichtbaar zijn) helpen wetenschappers om meer te weten te komen over aerosolen:deeltjes in de atmosfeer die organisch of anorganisch kunnen zijn, vast of vloeibaar, variërend van stof en roet tot zeezout en chemische druppels. Deze golflengten helpen onthullen of gemeten aerosolen natuurlijk zijn of afkomstig zijn van menselijke activiteiten.

Ultraviolette en violette golflengten zullen wetenschappers ook helpen bij het bestuderen van deeltjes die in de oceaan zijn opgelost, met name onderscheid te maken tussen chlorofyl (een groen pigment dat in alle fytoplankton voorkomt) en andere organische materialen. Het verschil kennen is belangrijk om te bestuderen hoeveel koolstof in de diepe oceaan zinkt en wordt opgeslagen.

"Niet al het plankton doet hetzelfde als het om koolstof gaat, " zei Ivona Cetinić, een oceanograaf bij NASA's Goddard Space Flight Center (GSFC) en PACE's projectwetenschapsleider voor biogeochemie. "Sommige zijn betere producenten, sommige zijn betere sekwesters die kooldioxide naar beneden halen. Zodra de koolstof in het plankton komt, wat er later gebeurt, hangt af van het soort plankton. Als het piepklein is, er is een grote kans dat het wordt opgegeten door een zoöplankton - het zijn piepkleine koeien, Nee? - die wordt opgegeten door een grotere, enzovoort. Als die reacties dicht bij het oppervlak plaatsvinden, de koolstof komt terug in de atmosfeer. Als het zoöplankton poept, de koolstof gaat naar de diepe oceaan."

Blauw

Blauwe golflengten helpen onderzoekers onderscheid te maken tussen fytoplanktonsoorten. Van diatomeeën tot dinoflagellaten, elke fytoplanktonsoort heeft zijn eigen identiteit:verschillende functies binnen het ecosysteem, verschillende voedingsbehoeften (en inhoud, voor roofdieren!), en belangrijk voor het Ocean Color Instrument (OCI), verschillende golflengten van licht dat ze absorberen en verstrooien. Met kleuren in het blauwe bereik van het spectrum kunnen wetenschappers de samenstelling van fytoplanktongemeenschappen zien.

"Als je naar een weiland kijkt, het ziet er allemaal groen uit in je ogen, maar je wilt alle spelers in dat ecosysteem kennen, "zei Cetinić. "Het komt zelden voor dat je in een gemeenschap maar één soort plankton krijgt; het is veel waarschijnlijker dat ze zullen samenwerken. Ze vormen een microbieel voedselweb. PACE zal ons in staat stellen om op te lossen, niet slechts één of twee soorten, maar de hele gemeenschap."

Het volgen van de samenstelling en gezondheid van de fytoplanktongemeenschap is niet alleen belangrijk om de oceaan nu te begrijpen, maar ook om te voorspellen hoe het in de toekomst zou kunnen veranderen.

Groente

Groene golflengten worden vaak gebruikt als referentie voor de totale hoeveelheid deeltjes in de lucht. Deze worden gecombineerd met kortere en langere golflengten om de grootte van deze deeltjes verder te bepalen. Grootte is een belangrijke factor om wetenschappers te helpen weten waar ze naar kijken. Natuurlijke aerosolen zoals stof of zeezout bevatten meestal grotere deeltjes dan door mensen geproduceerde deeltjes zoals roet of rook, dus deeltjesgrootte helpt bij het identificeren van de bronnen van aerosolen.

"Er zijn verschillende redenen waarom het belangrijk is om aerosolen beter te begrijpen, " zei Andrew Sayer, een atmosferische wetenschapper bij NASA GSFC en PACE's project science lead voor atmosferen. "Eén reden is nuttiger voorspellingen van de luchtkwaliteit. Een andere heeft te maken met het klimaat:het verkoelende of verwarmende effect dat aërosolen hebben op het klimaat, de manier waarop ze omgaan met clouds en de levensduur van de cloud beïnvloeden, is afhankelijk van de verticale verdeling van al deze kenmerken. We kunnen dit beter vanuit de ruimte volgen. Satellietgegevens kunnen worden gebruikt om de klimaatmodellen grondiger te onderzoeken en te verbeteren."

evenzo, verschillende fytoplanktonsoorten hebben verschillende afmetingen, dus deze variabele helpt bij het identificeren wie wie is in een planktongemeenschap.

Geel en oranje

De gele en oranje golflengten van de OCI helpen wetenschappers de gezondheid en fysiologie van fytoplankton te volgen. Wetenschappers kunnen bepalen hoe gezond een fytoplanktongemeenschap is door te kijken hoe snel het fytoplankton groeit, hoe efficiënt hun fotosynthese is en welke kleur ze hebben - alle informatie die ze kunnen verzamelen met gele en oranje golflengten.

Inzicht in de gezondheid van fytoplankton kan schadelijke algenbloei helpen voorspellen, of HAB's. Wanneer stoffen van het land in de oceaan spoelen, ze worden soms een feest voor algen, hen te laten eten, snel groeien en vermenigvuldigen. HAB's kunnen schadelijke gifstoffen genereren die zeedieren en mensen ziek maken en zuurstof in het water uitputten, aangezien bacteriën zich voeden met talloze dode algen.

"Schadelijke algenbloei is niet recent. We hebben geschriften van inheemse stammen in de Pacific Northwest die praten over dingen die op het strand gebeuren, " zei Cetinić. "Het is gewoon dat we er vandaag meer naar op zoek zijn, en ook antropogene invloeden zorgen ervoor dat bloemen vaker voorkomen."

Terwijl natuurlijk voorkomende mineralen in de oceaan kunnen stromen en algen kunnen voeden, door mensen geproduceerde chemicaliën - gazonmest, chemicaliën voor afvalwaterbehandeling en landbouwchemicaliën, zijn bijvoorbeeld een veel grotere boosdoener.

"Als een ecosysteem in balans is, het is nooit statisch. Eén ding is dominant, dan rolt het om, " zei Cetinić. "Maar wanneer een ecosysteem uit zijn ritme wordt geduwd, één ding wordt dominant. Tijdens een schadelijke algenbloei, slechts één soort heeft het vermogen om heel snel te groeien, en het neemt het over."

Rood en nabij-infrarood

Rode en nabij-infrarode golflengten geven het team een ​​kijkje in een ander deel van de oceaan:kustgebieden, met wateren gevoed door rivieren en ondiepere bodems met sedimenten die na een storm kunnen blijven hangen, zijn vaak heel anders gekleurd dan de open oceaan. Variaties in de kleuren die door kustgebieden worden weerkaatst, geven wetenschappers niet alleen aanwijzingen over de gezondheid van de organismen die daar leven, wat hen ook helpt zich voor te bereiden op HAB's aan de kust, maar ook informeren over uitstroom uit riviersystemen en stroomgebieddynamiek.

"Met PACE, we kunnen de vroege ontwikkelingsstadia van bloemen zien en zeggen welke soort het is, ", zei Cetinić. Vroege waarschuwingen stellen bedrijven in kustgebieden in staat zich voor te bereiden op HAB-effecten, zoals het niet oogsten of verkopen van vissen die de giftige algen consumeren, het voorbereiden van veterinaire kantoren op een toestroom van zieke dieren, het water beluchten om te voorkomen dat bodemdieren zuurstofgebrek krijgen, en consumenten waarschuwen om geen sardines of oesters te eten, voegde ze eraan toe.

"Veel van dit soort vroegtijdige waarschuwingssystemen en maatregelen zijn al van kracht in deze kustgebieden, dus we zullen onze gegevens aan hun systemen toevoegen, "Zei Cetinić. "Vroege informatie bespaart altijd geld voor lokale economieën."

Kortegolf infrarood

Net buiten het bereik van zichtbaar licht bevinden zich de kortegolf-infrarood (SWIR) golflengten, die een aantal toepassingen hebben voor zowel de atmosfeer als de oceaan.

SWIR-golflengten helpen wetenschappers te bepalen hoe helder de atmosfeer boven de oceaan is, wat belangrijk is voor berekeningen van oceaaneigenschappen aan het oppervlak. Het helpt ook bij soortgelijke berekeningen voor de atmosfeer boven de kust, die helpt bij studies van wolken en kustbiologie.

"Wolken weerkaatsen zonlicht, ze houden warmte en licht vast, "Zei Sayer. "We hebben een zeer nauwkeurig begrip nodig van hun helderheid en fysieke locatie."

Door ook te controleren hoeveel zonlicht wordt geblokkeerd door aerosolen, de OCI zal wetenschappers helpen een belangrijke lacune in modellering op te lossen, zei Sayer. Wolken en aerosolen interageren met elkaar in de atmosfeer, maar wetenschappers hebben meer informatie nodig over hoe en waar.

"Er zijn een aantal seizoensgebonden herhalende aerosolkenmerken waarbij je vaak aerosolen boven de wolken krijgt, "zei hij. "Bijvoorbeeld, in het zuidoosten van de Atlantische Oceaan, er wordt veel agrarische biomassa verbrand in centraal en zuidelijk Afrika, die piekt in augustus tot oktober. Veel daarvan waait over de oceaan, waar een laaggelegen wolkendek is. Het is vergelijkbaar in Zuidoost-Azië. Deze aerosolen maken het moeilijker om wolkeneigenschappen nauwkeurig te bepalen."

Op dezelfde manier, wolken maken het moeilijker om aerosolen te bestuderen, hij zei.

"Als je een klimaatmodelleur bent die het transport van aerosolen over de hele wereld probeert te modelleren, er zijn grote delen van de wereld waar je beperkte hoeveelheden bruikbare gegevens krijgt, "legde hij uit. "Met de OCI, het hebben van meer spectrale banden zal echt helpen om sommige van die hiaten op te vullen. Het hebben van een hyperspectraal instrument dat in het ultraviolette bereik gaat, zal het veel gemakkelijker maken om deze aerosolen te kwantificeren, vooral in combinatie met de polarimeters."