美國國家航空暨太空總署新氣候衛星為何研究雲和浮游植物

(SeaPRwire) –   如果你想要观察到一個浮游植物,最好是靠得很近。作为生活在淡水和海水中的最小生命形式之一,浮游植物的大小可以小至一微米——也就是一百万分之一米。但是小东西也可能产生重大影响。浮游植物(实际上是一种微藻)的大量繁殖可能会蔓延数英里,有时会对渔业、海滩、饮用水供应以及整个水生生态系统造成毁灭性破坏。要跟踪这么广泛的灾害,最好从远处观察——从675公里(420英里)的高度观察。这就是美国国家航空航天局(NASA)新卫星——正式名称为浮游植物、气溶胶、云和海洋生态系统(PACE)卫星——将在2月6日发射后环绕地球的高度。

正式来说,PACE将继续NASA于1978年发射的第一颗专门用于观察浮游植物在海洋中的分布和研究它在影响环境中的更广泛作用的卫星——海洋色谱仪卫星(OCS)开创的工作。但与时俱进,PACE作为一个现代卫星,将以两种重要方式监测我们 planet的脉搏。它将同时考虑环境科学整体和气候变化问题。

首先直接解决浮游植物问题,对政府、工业和环境科学家来说,这一问题很重要,原因有以下几点。浮游植物有时可以吸收大气中的二氧化碳,并将其固定在食物链的基础上,其他更大的生物可以进一步利用。但是,浮游植物也可能产生毒素,杀死鱼类和其他水生生物,对人类可能导致腹泻、麻痹、头晕、记忆力下降、肝功能异常、呕吐以及麻木等症状。

“我们需要天空中的眼睛来监测它,因为浮游植物的生长周期非常短,可能在几小时到几天内就迅速繁殖,”项目科学家杰里米·韦德尔说。“它们生存在流动性强、三维结构复杂的水体中,所以如果今天没有看到它们,那么它们可能明天就会出现。”

观测浮游植物不是PACE唯一的任务。气溶胶——包括烟尘、沙尘、火山灰、城市工业污染物以及海盐等——这一与气候变化相关的第二个环境因素也同样重要。不同成分、粒径和颜色的气溶胶会形成漂浮的阴影,其中吸收或反射阳光的能力取决于其特性。吸收阳光可能加剧全球变暖,而反射阳光可能降低温度。

“我不会用温室效应这个词,这通常只用于气体,而不是颗粒,”韦德尔说。“但原理是相同的,涉及到辐射平衡。”

PACE卫星将于2月6日凌晨1点33分(美国东部时间)由火箭发射升空。作为一颗相对较小的卫星,它的质量为1,700千克,高1.5米。NASA可以设计得这么小,因为PACE只搭载了两件科学仪器:一个海洋颜色仪(OCI)和一个偏振计。

如其名称所示,OCI旨在测量海水的颜色,可以区分光谱不同波长进行微小区分,从而确定不同区域的化学成分,进而确定这些区域主要的生物类型,特别是各种浮游植物。不同种类的浮游植物呈不同颜色,主要为绿色或蓝色,但也有最危险的红色品种。后者可能产生红潮,释放出高度持久的毒素,随着小鱼吃下它们而进入食物链,大鱼吃小鱼,如此层层传递。当然,这取决于浮游植物毒素的浓度,如果浓度太高,小鱼本身可能就无法生存。2021年,佛罗里达州海岸就出现过一场红潮,导致大量鱼类死亡。

“PACE可以测量全光谱,从紫外线到近红外线,”韦德尔说。“这些新信息可以让我们不仅仅说我们看到了浮游植物,还可以确定它们属于哪一类浮游植物社区。”

区分生物种类很重要,因为不同浮游植物的毒性和代谢水平不同,体型也不同。收集这些数据将帮助科学家了解不同浮游植物如何吸收或释放二氧化碳,影响全球变暖。一些浮游植物吸收的二氧化碳更多,从而减少大气中的浓度;一些体型更大,下沉速度更快,将吸收的二氧化碳固定在更深层水体中。浮游植物还会向空中释放气体,使微型水滴有核形成,最终形成云层。云层通过反射阳光来降低地球表面温度。“浮游植物在这一谜题中扮演着重要角色,”韦德尔说。长期目标是更好地了解海洋-大气间气体和云交换周期如何影响气候变化。

偏振计研究的另一方面是大气中的气溶胶,主要通过测量阳光通过空气时的振动来研究气溶胶。这对当前研究来说是一个不完整但重要的领域。正如联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)发布的大多数科学图表那样,数据中会包含“误差条”,表示任何一组数据的不确定度。“IPCC给出的各种因素对大气影响的贡献情况中,目前误差最大的是人为气溶胶分布,”韦德尔说。他和其他PACE团队成员的目标是改进这一情况,收集有助于环境科学家研究气溶胶的新数据,找出未来气候变化的速度和严重程度线索。“通过这些测量,”韦德尔说,”我们可以了解大气中不同成分如何相互作用——一些成分会升高温度,一些成分会降低温度。了解所有这些都非常重要。”