Εντοπισμός βιοφωταυγούς γαλακτερής θάλασσας από το διάστημα

Από RemoteSensing Wiki

D. Miller, Steven H. D. Haddock, Christopher D. Elvidge, and Thomas F. Lee. Detection of a bioluminescent milky sea from space Steven

Πηγή

Περίληψη

Συχνά αναφερόμενες στην λαϊκή ναυτική αφήγηση, σουρεαλιστικές νυχτερινές εμφανίσεις, όπου η θαλάσσια επιφάνεια δημιουργούσε μια εκτενής, ομοιόμορφη και διαρκής λάμψη που εκτεινόνταν έως τον ορίζοντα προς όλες τις κατευθύνσεις, οι επονομαζόμενες γαλακτερές θάλασσες εικάζεται να είναι ενδείξεις μιας ασυνήθιστης βιοφωταυγείας που παράγεται από αποικίες βακτηριδίων σε σύνδεση με εκρήξη μικροαλγών στα επιφανειακά νερά. Εξαιτίας της εφήμερης φύσης τους και της έλλειψης επιστημονικών παρατηρήσεων, μια εξήγηση του φαινομένου έχει παραμείνει ασαφής. Στην πρώτη δορυφορική παρατηρήση του, το φαινομένου εμφανίζεται σεμια έκταση περίπου 15,400 km2 του Βορειοδυτικού Ινδικού Ωκεανού, κατά την διάρκεια τριών διαδοχικών νυχτών, έχοντας επιβεβαιωθεί την πρώτη νύχτα από το παρεβρισκόμενο πλοίο SS Lima. Αυτή η απροσδόκητη εφαρμογή της τηλεπισκόπησης παρείχε γνώση σχετικά με τον σχηματισμό και την κλίμακα αυτών των περιορισμένα κατανοητών φαινομένων.

Βακτηριδιακή βιοφωταύγεια|μικροβιακή οικολογία

Εισαγωγή

Αν και έχουν παρατηρηθεί από ναυτικούς από τον 17ο αι., οι γαλακτερές θάλασσες έχουν ξεγλιστρήσει από την επιστημονικη έρευνα, με την εξαίρεση μιας επιτόπιας επιστημονικής παρατήρησης, όπου εκτίμηθηκε ότι η εκπομπή φωτός οφείλεται στα φωταυγή βακτηρίδια (Vibrio harveyi) που ζουν σε σύνδεση με τα μικροάλγη Phaeocystis. Παρόλα αυτά, λεπτομέρειες για τους μηχανισμούς σχηματισμού, την χωρική εξάπλωση, την παγκόσμια διασπορά, την εποχιακή διακύμανση και την οικολογική επίδραση των γαλακτερών θαλαρών παραμένουν σχεδόν παντελώς άγνωστες. Από 235 ντοκουμένα σε ναυτικά ημερολόγια (υποκείμενα, όπως είναι φυσικό, στην ανθρώπινη αντίληψη και την λαϊκή ερμηνεία) γνωρίζουμε ότι μια τυπική γαλακτερή θάλασσα (ορατή μόνο την νύχτα) λάμπει συνεχόμενα πάνω από μια εκτενής περιοχή, είναι ανεξάρτητη από τον άνεμο, διαρκεί από μερικές ώρες έως μερικές μέρες, και μπορεί να συνδέεται με ωκεανογραφικά μέτωπα ή βιολογικα slicks. Το μεγαλύτερο μέρος των επεισοδίων (171) έχει καταγραφεί στον βορειοδυτικό Ινδικό ωκεανό, και ένα αξιόλογο στην Java της Ινδονησίας. Αν και οι παρατηρήσεις αφορούν σε ενεργούς θαλάσσιους δρόμους, δεν υπάρχουν αντίστοιχες για άλλες πολυσύχναστες περιοχές. Μόνο δύο είδη φωτεινών οργανισμών θεωρούνται αιτιολογημένοι υποψήφιοι αυτής της εκπομπής: dinoflagellates και τα βακτήρια. Τα πρώτα, λόγω του τύπου φωταύγειας τους (ως απόκριση σε μηχανική διαταραχή, π.χ. θραυόμενος κυματισμός) θεωρούνται σχεδόν απίθανο να δώσουν διεγέρσεις που μπορούν να εντοπισθούν τηλεπισκοπικά. Τα δε φωτεινά βακτήρια, αν και μπορουν να εκπέμπουν μια διαρκές αλλά θαμπή λάμψη που μπορεί να διαρκέσει για πολλές μέρες κάτω από κατάλληλες συνθήκες, ελεύθερα είναι δύσκολο να προκαλέσουν σε γαλακτερές θάλασσες (λόγω του φαινομένου της αυτεπαγωγής, quorum sensing). H εκτιμώμενη σύνδεση των φωτεινών βακτηριδίων με αποικίες Phaeocystis (που λειτουργούν ως υπόστρωμα) θα παρείχε τέτοιες συνθήκες, ώστε ο πληθυσμός των φωτεινών βακτηρίων να μπορεί να εκπέμπει συνεχόμενα σε μια συχνότητα για παράδειγμα των 103 φωτονίων ανά sec ανά κύταρρο.

Εργαλεία και Μέθοδοι

Αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε δεδομένα από Αμυντικό Μετεωρολογικό Δορυφορικό Πρόγραμμα της ΗΠΑ. Οι δορυφόροι του συστήματος OLS σε ύψος 833 km, πολικής περιστροφής, είναι σχεδιασμένοι να καταγράφουν την παγκόσμια νέφωση σε ηλιακό και σεληνιακό φωτισμό. Για τις νυχτερινές παρατηρήσεις, το σύστημα OLS χρησιμοποιεί έναν φωτοπολλαπλασιαστικό αγωγό για την συλλογή ακτινοβολίας στο φάσμα του ορατού και του εγγύς υπέρυθρου με ευαισθησία τεσσάρων τάξεων μεγαλύτερη από συμβατικούς ανιχνευτές, όπως αυτοί των προγραμμάτων AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) και Landsat Thematic Mapper. H γήινη εικόνα δημιουργείται μέσω ενός ταλαντευόμενου προτύπου σάρωσης, μέσο του εδαφικού ίχνους. Ένας σταθερός ρυθμός δείγματος και η μηχανική σμύκρινση του διαφράγματος ηλεκτρονίων PMT για το έξω τέταρτο κάθε γραμμής σάρωσης οδήγησε σε περίπου ίση περιοχή pixel (~2.8km) κατά μήκος του πλάτους 3,000 km της λωρίδας. Παρότι το νυχτερινό κανάλι VNIR παρέχει εξαιρετική πληροφορία αντίθεσης (contrast) σε μεγάλο δυναμικό εύρος, περιορίζεται από αδρή ραδιομετρική ανάλυση (ποσοτικοποίηση 8 – bit) και στερείται βαθμονόμησης. Επιπρόσθετα της καταγραφής της σεληνιακής αντανάκλασης, η ικανότητα δημιουργία εικόνας σε περιορισμένο φώς έχει χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό εδαφικών και ατμοσφαιρικών πηγών εκπομπών, όπως φωτιές, κεραυνούς και ανθρώπινη δραστηριότητα ανά τον κόσμο. Δεν υπάρχουν προτείτερες αναφορές της ικανότητας του OLS να εντοπίσει γαλακτερές θάλασσες ή άλλη βιοφωταυγεία. Για να βελτιωθεί η οπτική αντίθεση μεταξύ της συνεκτικού πλέγματος εκπομπών γαλακτερής θάλασσας και του θορύβου βάθους του οργάνου, τα δεδομένα OLS – VNIR ενισχύθηκαν ψηφιακά. Πρώτον, η μέση ένταση της κάθε γραμμής σάρωσης αφαιρείται για να μειώθούν οι μεταβολές στην στάθμη του ηλεκτρικού θορύβου. Για να μειωθέι ο θόρυβος των λυχνιών φωτοπολλαπλασιασμού, ενα φίλτρο 3 – pixel εφαρμόσθηκε στην κατεύθυνση της σάρωσης. Αν τουλάχιστον 2 pixel υπέρβαίναν το κατώφλι ( που ορίζεται στο ~5% του βαθμού κορεσμού του ανιχνευτή), τότε και τα 3 pixel ορίζονταν στην τιμή κορεσμού, διαφορετικά και τα 3 pixel ορίζονταν στο 0. Αυτή η διαδικασία επαναλαμβανόταν σε μια κατα μήκος διεύθυνση. Τέλος, ενα φίλτρο 8 – pixel εφαρμόζεται,και τα δεδομένα εξισσοροπούνται βάσει του ιστογραφήματος. Η ενίσχυση οδηγεί στην συγκέντρωση των συνεκτικών στοιχείων και στην απόκρυψη του τυχαίου θορύβου. Παράλληλα, για την καταγραφή του φάσματος εκπομπών των βακτηριδίων, αναπτύχθηκε εργαστηριακά πληθυσμός του είδους Vibrio fischeri, το οποίο θεωρείται υπέυθυνο για το φαινόμενο της γαλακτερής θάλλασας . (Τα φάσματα εκπομπών που έχουν καταγράφηκε για πολλά διαφορετικά είδη από φωταυγή βακτήρια δίνουν τιμές αιχμής στα 490 nm και ήμισυ του ζωνικού εύρους 70 nm). Σε αυτό το σημείο, επισημαίνεται ότι το φάσμα των βακτηριδίων δεν υπερκαλύπτει πλήρως αυτή την συνάρτηση απόκρισης του αισθητήρα του ανιχνευτή, μόνο ένα τμήμα του συνολικού εκπεμπόμενου φωτός θα εντοπισθεί, που σημαίνει ότι τα βακτηρίδια πρέπει να παράγουν περισσότερο φως από το ελάχιστο ονομαστικό ανισχεύσιμο σήμα του οργάνου (MSD) για να εντοπισθούν. Για αυτό τον λόγο, εκτιμάται υπολογιστικά ένα ποσοστό του κανονικοποιημένου φάσματος εκπομπής των βακτηριδίων που ανιχνεύεται από τον δορυφορικό αισθητήρα, με το οποίο διαιρείται το ονομαστικό ανιχνεύσιμο σήμα του οργάνου για να προκύψει ένα κατώφλι βακτηριδιακής ακτινοβολίας πάνω από το οποίο επιτυγχάνεται η δορυφορική ανίχνευση. Για ένα επίπεδo εκπομπών κοντά στην επιφάνεια (με την σκέδαση μέσα στο νερό και την απορρόφηση να αγνοείται) και για ένα εκτιμώμενο βαθμό παραγωγής φωτονίων ανά κύτταρο, εκτιμήθηκε ο ελάχιστος βακτηριδιακός πληθυσμός που απαιτείται για να παράξει το κατώφλι ανίχνευσης. Στην συνέχεια με δεδομένη την έκταση του φαινομένου όπως καταγράφηκε από τον δορυφόρο, υπολογίσθηκε μια συνολικός πληθυσμός βακτηριδιακών κυττάρων συντηρητικά βάσει του ελάχιστου βακτηριδιακού πληθυσμού.

Αποτελέσματα και συζήτηση

Ο τηλεπισκοπικός εντοπισμός ενος σχετικά ασθενούς φωτεινού σήματος όπως το βιοφωταυγές εξαρτάται από την χωρική έκταση, την ομοιογένεια, και το αποτέλεσμα της ατμοσφαιρικής εξασθένισης και απαιτεί την απουσία φωτεινής ρύπανσης από άλλες πηγές. Εξετάσθηκε αρχείο αναφορών πλοίων στο φαινόμενο από το 1992, το οποίο αντιστοιχούσε σε διαθέσιμα δορυφορικά δεδομένα OLS, για κάποια με ευνοϊκές συνθήκες εντοπισμού Από την διαδικασία αυτή επιλέχθηκε το μελετώμενο περιστατικό. Η ανεπεξέργαστη νυχτερινή απεικόνιση στο ορατό OLS, η οποία συμπίπτει κατά μια μιση ώρα στην επιτόπια παρατήρηση, καταδεικνύει την παρουσία ενός μεγάλου, φωτεινού στοιχείου κοντά στην τοποθεσία, που παραμένει για τις ακόλουθες δύο νύχτες. Η ψηφιακή ενίσχυση και το φιλτράρισμα της εικόνας απομονώνουν περισσότερο το συνεκτικό στοιχείο από τον θόρυβο βάθους. Οι θέσεις πορείας του πλοίου (η θέση κατά την είσοδο και κατά την έξοδο από την γαλακτερή θάλασσα) έχουν στενή αντιστοιχία με τα όρια του αντικειμένου της δορυφορικής παρατήρησης. Η δορυφορική οπτική αποκαλύπτει ότι το φαινόμενο καταλαμβάνει έκταση τουλάχιστον 15,400km2 στις 25 Ιανουαρίου 1995 και επεκτείνεται σε έκταση > 17,700 km2 την επόμενη μέρα. Η παραμονή του φαινομένου για πολλές μέρες είναι συνεπής με προηγούμενα ευρήματα και επιτρέπει την εξέταση της χωρικής εξέλιξης σε σύνδεση με την τοπικά θαλλάσια ρεύματα. Η παρατηρούμενη μεταφορά και περιστροφή της φωτεινής δομής για τρεις νύχτες ήταν συνεπής με μια δίνη ψυχρού πυρήνα από την μοντελοποίηση των ωκεάνιων ρευμάτων. Οι συνθήκες που διαπιστώθηκαν (παρουσία ψυχρών δινών και υποθαλλάσια δάση kelp) προτιμώνται από αποικίες φωτοπλαγκτόν, οι οποίες όντας σε ανάπτυξη μπορούν να προσφέρουν ένα υπόστρωμα για τον εποικισμό απο φωταυγή βακτήρια. Για να αξιολογήσουμε τις απαιτήσεις εκπομπών βάση της υπόθεσης βακτηριακής πηγής, συγκρίναμε την φασματική ευαισθησία του δορυφορικού αισθητήρα με το φάσμα εκπομπών των βακτηριδίων. H απόδοση της ανίχνευσης, όπως εκτιμήθηκε στο 22%, δίνει κατώφλι ακτινοβολίας των εκπομπών των βακτηριδίων 1.8 Χ 10-4 W/m2/sr. Ο δορυφορικά ανιχνεύσιμος ελάχιστος πληθυσμός βακτηριδίων στην υδάτινη στήλη εκτιμάται σε 2,8 X108 κύτταρα/cm2. Βάσει της κάλυψης που εκτιμάται από την δορυφορική εικόνα, ο συνολικός πληθυσμός στην παρατηρημένη γαλακτερή θάλασσα εκτιμάται προσεγγιστικά σε 4x1022 βακτηριδιακά κύτταρα. Η επόμενη γενία αισθητήρων χαμηλής φωτεινότητας, όπως εκπροσωπείται από το ημερίσιο/νυχτερινό κανάλι του συστήματος NPOESS (βλέπε Εικόνα 2 Β), προσφέρει την δυνατότητα βελτιωμένης ικανότητας παρατήρησης σε χαμηλό φωτισμό μέσω βελτιωμένου δυναμικού εύρους, υψηλότερο ποσοστό σήματος - θορύβου, βαθμονομημένα δεδομένα, υψηλότερη ραδιομετρική ανάλυση, καλύτερη χρονική ευκρίνεια και συμπληρωματική φασματική πληροφορία από άλλα κανάλια ραδιομετρικά και του ορατού/υπέρυθρου. Ο περιορισμός όμως της ευαισθησίας του σύμφωνα με τον παρόν σχεδιασμό στα μικρά μήκη κύματος το καθιστά λιγότερο κατάλληλο για την καταγραφή των μπλέ – πράσινων βιοφωταυγών εκπομπών. Κατά την προτεινόμενη φασματική συνάρτηση απόκρισης, το κατώφλι ακτινοβολίας εντοπισμού αυξάνεται στα 3.5 Χ 10-4 W/m2/sr (περίπου το ήμισυ της ευαισθησίας του παρόντος συστήματος OLS – VNIR). Δεδομένης της επιδεδειγμένης ικανότητας του να εντοπίζει ένα σπάνιο βιολογικό φαινόμενο και λαμβάνοντας υπόψιν την εμφανή εγγύτητα αυτών των σημάτων στο ελάχιστο ανιχνεύσιμο σήμα του αισθητήρα, ίσως αξίζει να διατηρηθεί η φασματική απόκριση στα μικρά μήκη κύματος του συστήματος. Μια σπάνια ευκαιρία να αντιστοιχηθούν δορυφορικές παρατηρήσεις αισθητήρα χαμηλού φωτισμού με επιφανειακές αναφορές απέδωσε τις πρώτες δορυφορικές μετρήσεις βιοφωταύγειας από μια γαλακτερή θάλασσα. H τηλεπισκόπηση μπορεί να αποτελέσει το μόνο εφικτό μέσο εντοπισμού αυτής της υπεκφεύγουσας μορφής θαλάσσιας φωταύγειας. Για παράδειγμα, η αναπτυσσόμενες ημερίσιες τεχνικές τηλεπισκόπησης στην αποτίμηση της φυσιολογίας του φυτοπλαγκτού μπορεί να βοηθήσει στον προσδιορισμό περιοχών προτεραιότητας. Στην συνέχεια, η επιβεβαίωση παρουσίας του φαινομένου τηλεπισκοπικά θα επιτρέψει την προσέγγιση από εξειδικευμένη αποστολή παρατήρησης. Η συνδυασμένη παρατήρηση θα μας επιτρέψει να κατανοήσουμε καλύτερα τον ρόλο, την συμπεριφορά και της περιβαλλοντικές επιδράσεις των γαλακτερών θαλασσών, ενός μακροχρόνιου μυστηρίου της θαλασσινής παράδοσης.