Une promenade à travers l'arc-en-ciel avec PACE

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Par Jessica Merzdorf,

Centre de vol spatial Goddard de la NASA

Pourquoi y a-t-il autant de chansons sur les arcs-en-ciel? Pour la prochaine mission Plancton, Aérosol, Nuage, Ecosystème océanique de la NASA, ou PACE, les couleurs de l'arc-en-ciel – ou , si vous préférez, les longueurs d'onde visibles du spectre électromagnétique – sont la clé pour débloquer une multitude de nouvelles données sur les cieux et les mers du monde entier.

Les instruments haute résolution de PACE verront les caractéristiques de l'océan et de l'atmosphère avec des détails inégalés lorsque la mission sera lancée en 2023. En mesurant l'intensité de la couleur qui sort de la surface de l'océan terrestre, PACE capturera des détails fins sur le phytoplancton – de minuscules organismes et algues ressemblant à des plantes qui vivent dans l'océan – qui sont à la base du réseau trophique marin et génèrent la moitié de l'oxygène terrestre. Les communautés phytoplanctoniques bénéfiques alimentent la pêche, mais les efflorescences algales nuisibles (HAB) peuvent empoisonner les animaux et les humains et perturber les industries du tourisme et de la pêche.

Lorsqu'il s'agit de «couleur de l'océan», la longueur d'onde et l'intensité des couleurs quittant l'océan sont importantes. Différentes espèces de phytoplancton et d'autres substances dans une masse d'eau absorbent et reflètent différentes couleurs de lumière: l'eau claire de l'océan ouvert apparaît bleue, l'eau avec beaucoup de phytoplancton apparaît souvent verte ou turquoise, et l'eau près de la côte semble brune en raison des sédiments en suspension et matière organique dissoute. PACE peut voir de petites variations dans ces différences de couleur visibles avec beaucoup plus de détails que jamais.

Alors que PACE repère toutes les couleurs de l'arc-en-ciel sur l'océan et l'atmosphère, il offrira aux scientifiques de nouvelles découvertes à chaque longueur d'onde .

Au printemps de 315, la construction physique du vaisseau spatial PACE est passée à la vitesse supérieure, les ingénieurs travaillant dur pour construire, assembler et tester la machine réelle.

Lorsque le COVID global – la pandémie a forcé la distanciation sociale entre les équipes de développement, le défi était de savoir comment continuer à progresser sur cette initiative de recherche extrêmement importante, même si la plupart des ingénieurs et autres impliqués dans la mission le développement ne pouvait pas fonctionner ensemble dans les zones de fabrication.

Il s'avère que l'équipe extraordinaire qui a donné vie à PACE n'était pas sur le point d'abandonner ses objectifs, et dans cette vidéo, nous entendons un éventail de professionnels de la NASA parler de la façon de continuer, de maintenir des normes élevées et de voir leurs plans à travers même le les circonstances les plus difficiles. Crédit: NASA / Michael Starobin

Ultraviolet et Violet

Les longueurs d'onde ultraviolettes (qui sont invisibles à l'œil humain) et les longueurs d'onde violettes (qui sont visibles) aident les scientifiques à se renseigner sur les aérosols: des particules dans l'atmosphère qui peuvent être organiques ou inorganiques, solides ou liquides, allant de la poussière et de la suie au sel marin et aux gouttelettes chimiques. Ces longueurs d'onde aident à révéler si les aérosols mesurés sont naturels ou proviennent d'activités humaines.

Les longueurs d'onde ultraviolettes et violettes aideront également les scientifiques à étudier les particules dissoutes dans l'océan – en particulier, à faire la distinction entre la chlorophylle (un pigment vert présent dans tous les phytoplanctons) et d'autres matières organiques. Connaître la différence est important pour étudier la quantité de carbone qui descend et est stockée dans l'océan profond.

«Tous les planctons ne font pas la même chose en matière de carbone», a déclaré Ivona Cetinić , océanographe au vol spatial Goddard de la NASA Centre (GSFC) et responsable scientifique du projet PACE pour la biogéochimie. «Certains sont de meilleurs producteurs, certains sont de meilleurs séquestrants qui absorbent le dioxyde de carbone. Une fois que le carbone entre dans le plancton, ce qui se passe plus tard dépend du type de plancton. S'il est minuscule, il y a de grandes chances qu'il soit mangé par un zooplancton – ce sont des vaches minuscules, non? – qui sera mangé par un plus gros, et ainsi de suite. Si ces réactions se produisent près de la surface, le carbone revient dans l'atmosphère. Si le zooplancton fait caca, le carbone descend dans l'océan profond. »

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Des diatomées aux dinoflagellés, chaque espèce de phytoplancton a sa propre identité: différentes fonctions au sein de l'écosystème, différents besoins nutritionnels (et contenu, pour les prédateurs!), Et surtout pour l'Ocean Color Instrument (OCI), différentes longueurs d'onde de lumière qu'elles absorbent et dispersion. Crédit: NASA EOS Project Science Office / Sally Bensusen

Bleu

Les longueurs d'onde bleues aident les chercheurs à différencier les espèces de phytoplancton. Des diatomées aux dinoflagellés, chaque espèce de phytoplancton a sa propre identité: différentes fonctions au sein de l'écosystème, différents besoins nutritionnels (et contenu, pour les prédateurs!), Et surtout pour l'Ocean Color Instrument (OCI), différentes longueurs d'onde de lumière qu'elles absorbent et dispersion. Les couleurs dans la gamme bleue du spectre permettront aux scientifiques de voir la composition des communautés de phytoplancton.

«Si vous regardez une prairie, tout semble vert à vos yeux, mais vous voulez connaître tous les acteurs de cet écosystème», a déclaré Cetinić. «Il est rare d’obtenir un seul type de plancton dans une communauté; il est beaucoup plus probable qu’ils travaillent ensemble. Ils constituent un réseau trophique microbien. PACE nous permettra de résoudre non seulement une ou deux espèces, mais l'ensemble de la communauté. »

Le suivi de la composition et de la santé de la communauté phytoplanctonique est non seulement important pour comprendre l'océan maintenant, mais aussi pour prédire comment il pourrait changer à l'avenir.

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La poussière et d'autres aérosols peuvent interagir avec les nuages ​​et la vie océanique, et PACE mesurera les caractéristiques des aérosols pour améliorer notre compréhension et nos modèles de ces interactions. Crédit: Observatoire de la Terre de la NASA / Joshua Stevens

Vert

Les longueurs d'onde vertes sont souvent utilisées comme référence pour la quantité totale de particules dans l'air. Ceux-ci sont combinés avec des longueurs d'onde plus courtes et plus longues pour déterminer davantage la taille de ces particules. La taille est un facteur important pour aider les scientifiques à savoir ce qu'ils recherchent. Les aérosols naturels comme la poussière ou le sel de mer ont tendance à contenir des particules plus grosses que celles produites par l'homme comme la suie ou la fumée, de sorte que la taille des particules aide à identifier les sources d'aérosols.

«Il y a plusieurs raisons pour lesquelles il est important de mieux comprendre les aérosols», a déclaré Andrew Sayer , un scientifique atmosphérique à la NASA GSFC et responsable scientifique du projet PACE pour les atmosphères. «Une des raisons est des prévisions plus utiles sur la qualité de l'air. Un autre est lié au climat: l'effet de refroidissement ou de réchauffement des aérosols sur le climat, la manière dont ils interagissent avec les nuages ​​et affectent la durée de vie des nuages, dépend de la distribution verticale de toutes ces caractéristiques. Nous serons mieux en mesure de surveiller cela depuis l’espace. Les données satellitaires peuvent être utilisées pour interroger de manière plus approfondie les modèles climatiques et les améliorer. »

De même, différentes espèces de phytoplancton sont de tailles différentes, donc cette variable aide à identifier qui est qui dans une communauté de plancton.

algal bloom
L'Ocean Color Instrument (OCI) de l'APCE fournira aux scientifiques des informations précieuses sur les espèces de phytoplancton, la structure des communautés et la santé. Comprendre la santé du phytoplancton peut aider à prédire les proliférations d'algues nuisibles, ou HAB, qui peuvent générer des toxines nocives qui rendent malade la faune marine et les humains et appauvrissent l'oxygène dans l'eau car les bactéries se nourrissent de nombreuses algues mortes. Crédit: Observatoire de la Terre de la NASA / Joshua Stevens & Lauren Dauphin

Jaune et Orange

Les longueurs d’onde jaune et orange de l’OCI aident les scientifiques à suivre la santé et la physiologie du phytoplancton. Les scientifiques peuvent déterminer la santé d'une communauté de phytoplancton en examinant la vitesse de croissance du phytoplancton, l'efficacité de sa photosynthèse et sa couleur – toutes les informations qu'ils peuvent recueillir avec des longueurs d'onde jaunes et oranges.

Comprendre la santé du phytoplancton peut aider à prédire les proliférations d'algues nuisibles, ou HAB. Lorsque les substances de la terre se déversent dans l'océan, elles deviennent parfois un régal pour les algues, leur permettant de manger, de grandir et de se multiplier rapidement. Les HAB peuvent générer des toxines nocives qui rendent malade la faune marine et les humains et appauvrissent l'oxygène dans l'eau car les bactéries se nourrissent de nombreuses algues mortes.

«Les proliférations d'algues nuisibles ne sont pas récentes. Nous avons des écrits de tribus indigènes du nord-ouest du Pacifique qui parlent de choses qui se passent sur la plage », a déclaré Cetinić. “C’est juste qu’aujourd’hui nous le recherchons davantage, et les influences anthropiques font que les floraisons sont plus répandues.”

Alors que les minéraux naturels peuvent s'écouler dans l'océan et nourrir les algues, les produits chimiques produits par les humains – engrais pour pelouse, produits chimiques de traitement des eaux usées et produits chimiques agricoles, par exemple – sont beaucoup plus coupables.

«Lorsqu'un écosystème est en équilibre, il n'est jamais statique. Une chose est dominante, puis ça roule », a déclaré Cetinić. «Mais lorsqu'un écosystème est poussé hors de son rythme, une chose devient dominante. Lors d'une prolifération d'algues nuisibles, une seule espèce a la capacité de croître très rapidement et elle prend le dessus. »

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Les zones côtières sont souvent colorées très différemment de l'océan ouvert. Les variations des couleurs reflétées par les zones côtières donnent non seulement aux scientifiques des indices sur la santé des organismes qui y vivent, ce qui les aide également à se préparer aux HAB côtières, mais aussi des informations sur les sorties des systèmes fluviaux et la dynamique des bassins versants. Crédit: Observatoire de la Terre de la NASA / Joshua Stevens & Norman Kuring

Rouge et proche infrarouge

Les longueurs d'onde rouges et proches infrarouges donnent à l'équipe un aperçu d'une autre partie de l'océan: les zones côtières, avec des eaux alimentées par des rivières et des fonds moins profonds avec des sédiments qui peuvent être suspendus après une tempête, sont souvent colorées très différemment de l'océan ouvert. Les variations de couleurs reflétées par les zones côtières donnent non seulement aux scientifiques des indices sur la santé des organismes qui y vivent, ce qui les aide également à se préparer aux HAB côtières, mais également des informations sur les sorties des systèmes fluviaux et la dynamique des bassins versants.

«Avec PACE, nous pouvons voir les premiers stades de développement des fleurs et dire de quelle espèce il s'agit», a déclaré Cetinić. Les alertes précoces permettent aux entreprises des zones côtières de se préparer aux impacts du HAB, comme ne pas récolter ou vendre des poissons qui consomment les algues toxiques, préparer les bureaux vétérinaires à un afflux d'animaux malades, aérer l'eau pour empêcher les créatures du fond de souffrir d'un manque d'oxygène , et avertit les consommateurs de ne pas manger de sardines ou d'huîtres, a-t-elle ajouté.

«Beaucoup de ces types de systèmes et de mesures d’alerte précoce sont déjà en place dans ces zones côtières, nous allons donc ajouter nos données à leurs systèmes», a déclaré Cetinić. «Les premières informations permettent toujours d'économiser de l'argent pour les économies locales.»

2020 eruption of Anak Krakatau
Cendres d'éruptions volcaniques, comme celle-ci 315 l'éruption d'Anak Krakatau, est un exemple d'aérosols: Particules dans l'atmosphère qui peuvent être organiques ou inorganiques, solides ou liquides, allant de la poussière et de la suie au sel marin et chimique gouttelettes. PACE mesurera les caractéristiques des aérosols pour mieux comprendre comment ils interagissent avec les écosystèmes océaniques, le climat et le phytoplancton. Crédit: Observatoire de la Terre de la NASA / Lauren Dauphin

Infrarouge à ondes courtes

Juste en dehors de la plage de lumière visible se trouvent les longueurs d'onde infrarouges à ondes courtes (SWIR), qui ont un certain nombre d'utilisations à la fois pour l'atmosphère et l'océan.

Les longueurs d'onde SWIR aident les scientifiques à déterminer la clarté de l'atmosphère au-dessus de l'océan, ce qui est important pour les calculs des propriétés océaniques à la surface. Cela facilite également des calculs similaires pour l'atmosphère au-dessus de la côte, ce qui facilite les études sur les nuages ​​et la biologie côtière.

«Les nuages ​​reflètent la lumière du soleil, ils emprisonnent la chaleur et la lumière», a déclaré Sayer. “Nous avons besoin d'une compréhension très précise de leur luminosité et de leur emplacement physique.”

En surveillant également la quantité de lumière solaire bloquée par les aérosols, l'OCI aidera les scientifiques à résoudre une lacune importante dans la modélisation, a déclaré Sayer. Les nuages ​​et les aérosols interagissent les uns avec les autres dans l'atmosphère, mais les scientifiques ont besoin de plus d'informations sur comment et où.

«Il y a des caractéristiques d'aérosols qui se répètent de façon saisonnière où vous obtenez souvent des aérosols au-dessus des nuages», dit-il. «Par exemple, dans l'Atlantique sud-est, il y a beaucoup de biomasse agricole brûlant en Afrique centrale et australe, qui culmine d'août à octobre. Une grande partie de cela souffle au-dessus de l'océan, où se trouve un pont nuageux bas. C’est la même chose en Asie du Sud-Est. Ces aérosols rendent plus difficile la détermination précise des propriétés des nuages. »

De la même manière, les nuages ​​rendent plus difficile l'étude des aérosols, dit-il.

«Si vous êtes un modélisateur climatique essayant de modéliser le transport des aérosols dans le monde, il y a de grandes régions du monde où vous obtenez des quantités limitées de données utiles», a-t-il expliqué. «Avec l'OCI, avoir plus de bandes spectrales aidera vraiment à combler certaines de ces lacunes. Avoir un instrument hyperspectral qui va dans le domaine des ultraviolets facilitera grandement la quantification de ces aérosols, surtout en combinaison avec les polarimètres. »