Прорыв может изменить подход Калифорнии к мониторингу токсичных цветений водорослей

Резервуар Сан-Луис в округе Мерсед — одно из крупнейших искусственных озёр Калифорнии — не только орошает сельскохозяйственные угодья Центральной долины и снабжает питьевой водой районы Силиконовой долины и Саут-Бэй, но и круглый год привлекает пловцов, любителей водных прогулок и рыбаков.

Однако на протяжении нескольких месяцев поверхность озера покрывают зелёные водоросли. Несмотря на спокойный вид, эти вредоносные цветения водорослей (HABs) могут нарушить водоснабжение, экосистемы и рекреационную деятельность, а также представляют серьёзную угрозу здоровью.

За последнее десятилетие Департамент водных ресурсов Калифорнии (DWR) неоднократно выпускал предупреждения об опасности из-за цветения водорослей в резервуаре. Эти предупреждения, уровень которых варьируется от осторожности до опасности, информируют посетителей о необходимости избегать контакта с водой из-за токсинов, вызывающих сыпь, раздражение глаз и симптомы, похожие на грипп. В последние годы HABs были связаны со смертью нескольких домашних животных в штате.

Бриттани Баррето Мартинес увидела возможность улучшить мониторинг HABs, который обычно основывался на пробах воды у берега. Во время получения степени магистра в области экологических систем в Университете Калифорнии в Мерседе она заметила, что существующие методы не всегда эффективны.

«Однажды я вышла на отбор проб в выходные ко Дню труда, и, естественно, люди брали лодки для рыбалки и купания, — сказала Баррето Мартинес. — В то время озеро было очень зелёным, по крайней мере, на уровне предупреждения. Важно определять закономерности цветения водорослей дальше в озере, а не только у его краёв, особенно если разрешены водные прогулки и рыбалка».

Цветение водорослей

Избыточное образование водорослей происходит, когда водная система обогащается питательными веществами, такими как фосфор и азот. В таких условиях некоторые виды водорослей, включая цианобактерии, динофлагелляты и диатомовые водоросли, могут производить токсины, вызывающие заболевания при попадании в организм. Цианобактерии — наиболее распространённая причина вредоносных цветений водорослей в пресноводных системах.

Сток удобрений, сточных вод и даже лесные пожары могут нарушить баланс экосистемы и привести к избытку питательных веществ в озёрах и водохранилищах. Однако влияние человеческой деятельности на формирование HABs было трудно определить из-за ограничений сбора наземных проб, который позволяет проводить только точечные исследования, даже несмотря на то, что рост водорослей может сильно различаться в разных местах.

Использование спутникового дистанционного зондирования

Чтобы лучше понять, как водоросли начинают накапливаться вдали от берега, Баррето Мартинес решила изучить использование спутникового дистанционного зондирования для обнаружения HABs в водохранилище Сан-Луис. Вместе со своим научным руководителем Эрин Хестир, профессором гражданского и экологического инжиниринга и директором CITRIS в UC Merced, она решила изучить возможность использования спутникового дистанционного зондирования для обнаружения HABs в водохранилище Сан-Луис.

Баррето Мартинес сотрудничала с профессором по экологическому инжинирингу Марком Бейтелем, который получил финансирование от CITRIS в UC Merced для проведения исследования. Она также получила поддержку от программы NASA Future Investigator in Earth Space Science and Technology (FINESST), которая предлагает до трёх лет финансирования перспективным аспирантам, занимающимся темами, представляющими интерес для Директората научных миссий NASA.

Баррето Мартинес и её команда начали с определения того, обладают ли существующие спутниковые технологии достаточной чувствительностью для этого нового применения.

Все физические материалы обладают уникальными спектральными характеристиками, основанными на том, как они поглощают и отражают длины волн электромагнитного излучения (ЭМИ), особенно видимый свет. Спектральная чувствительность датчика, или диапазон длин волн, которые он измеряет, и его разрешение, или количество деталей, которые он может обнаружить, имеют технологические ограничения. К сожалению, из-за ограничений по размеру и весу, присущих запуску космического аппарата на орбиту, не каждый спутник может быть оснащён для обнаружения всех длин волн ЭМИ.

«У нас есть спутниковые датчики, предназначенные для съёмки океана, и спутниковые датчики, предназначенные для наблюдения за сушей, — сказала Хестир, — но ни один из них не создан специально для измерения озёр и водных путей во внутренней части нашей страны».

Выбор спутников

Баррето Мартинес обнаружила два конкретных спутника, Sentinel 2 и Sentinel 3, которые можно использовать для обнаружения хлорофилла — надёжного показателя цианотоксинов, согласно Всемирной организации здравоохранения, — а также хлорофилла и цианобактерий соответственно.

Благодаря более широкой спектральной чувствительности Sentinel 3 смог подтвердить наличие как цианобактерий, так и хлорофилла, в то время как Sentinel 2 с более высоким разрешением мог различить вариативность плотности цветения водорослей в разных частях озера.

Для своего исследования Баррето Мартинес использовала информацию из открытых источников от Sentinel 2 и Sentinel 3, полученных между 2016 и 2022 годами, выбирая изображения, которые были сделаны в те же дни, когда DWR собирал пробы воды у причала.

В статье 2024 года в журнале GeoHealth команда сообщила, что данные, полученные с Sentinel 2, показали более чем 79% соответствие уровням токсинов, обнаруженным в наземных пробах, а Sentinel 3 обнаружил 83% соответствия.

Работа Баррето Мартинес способствовала устранению существенного пробела в сборе данных и повышению уровня общественной безопасности. В будущем данные, полученные с помощью спутникового зондирования, могут помочь DWR решить, где брать наземные пробы, а также позволят агентству более оперативно и точно выдавать предупреждения о состоянии здоровья населения.

Исследование Хестир, финансируемое NASA, показало, что потеря растительности увеличивает количество наносов и поверхностный сток. После пожара это может изменить уровень питательных веществ, попадающих в озёра и водохранилища.

«Сколько водосборного бассейна было сожжено? И что сгорело? — сказала Хестир. — Были ли разрушены человеческие поселения, которые могли бы добавлять вредные загрязнители и тяжёлые металлы в водные пути?»

Работа Хестир является частью нескольких новых проектов сотрудничества между исследователями CITRIS и NASA, поддерживаемых инициативой CITRIS Aviation.

Между тем отбор проб на месте по-прежнему будет иметь важное значение для мониторинга качества воды, которое невозможно определить визуально, например, уровня питательных веществ.

«Дистанционное зондирование не предназначено для замены проб, взятых вручную; эти два метода работают рука об руку», — сказала Баррето Мартинес. «Там, где люди не могут, эти машины могут».

Внедряя дополнительный измерительный инструмент, использующий доступные и надёжные данные, Баррето Мартинес смогла расширить возможности дистанционного зондирования дальше, чем она когда-то думала.

«Работа над перспективой общественного здравоохранения была очень полезной, — сказала она, — потому что она связала технологию зондирования с улучшением повседневной жизни и безопасности людей».

Источник

Оставьте комментарий