Neues NASA-Instrument bringt Küsten und Korallen in den Fokus

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Anonim

Eine Küstenlandschaft mit tiefen blauen Meeren und einem Korallenriff ist schön anzuschauen, aber wenn man versucht, die Szene mit einer Kamera oder einem wissenschaftlichen Instrument aufzunehmen, sind die Ergebnisse fast immer enttäuschend. Die meisten Kameras können Unterwasserobjekte in solchen Szenen nicht "sehen", weil sie so dunkel sind und die grelle Küste auswaschen. Diese Probleme ruinieren nicht nur Urlaubsfotos. Sie sind ein ernstzunehmendes Hindernis für Wissenschaftler, die Bilder von der Küste benötigen, um zu untersuchen, wie diese Ökosysteme durch den Klimawandel, die Entwicklung und andere Gefahren beeinflusst werden.

Zur Rettung: das neue portable Remote Imaging Spectrometer, das im Jet Propulsion Laboratory der NASA in Pasadena, Kalifornien, entwickelt wurde. PRISM ist ein luftgestütztes Instrument zur Beobachtung schwer wahrnehmbarer Küstenwasserphänomene. Im bevorstehenden Coral Reef Airborne Laboratory (CORAL) Feldexperiment der NASA wird PRISM ganze Riff-Ökosysteme in mehr der Riffregion der Welt beobachten - Hunderte von Malen mehr als je zuvor.

"Coastal Ocean Science hat spezifische Anforderungen, die mit anderen Instrumenten nicht erfüllt wurden", als PRISM ursprünglich vorgeschlagen wurde, sagte Pantazis Mouroulis von JPL, der das Instrument entworfen hat. "Zu dieser Zeit war noch nicht einmal bekannt, ob jemand ein Instrument mit diesen Eigenschaften konstruieren könnte. Wir mussten neue Techniken für die Montage und Ausrichtung des Instruments und sogar neue Technologien für die Komponenten entwickeln."

Mit der verheerenden Korallenbleiche, die weltweit stattfindet, könnte ein Sensor, der einen detaillierten, einheitlichen, großflächigen Datensatz an Korallenriffen sammeln kann, kaum aktueller sein. "Der Wert dieser Untersuchung ist derzeit unvorstellbar, da sich die Umgebung schnell ändert und PRISM zum perfekten Zeitpunkt das perfekte Instrument ist", sagte David Thompson von JPL, der ein Computermodell für die PRISM-Messungen entwickelt für KORALLE. "Es ist so ein sensibles Instrument - jenseits von allem, mit dem ich bisher gearbeitet habe."

Wie es funktioniert

PRISM ist ein Spektrometer, ein Instrument, das Licht in sein Wellenlängenspektrum aufspaltet und die Intensität des Lichts bei jeder einzelnen Wellenlänge misst. Jede Art von Molekül absorbiert eine einzigartige Kombination von Wellenlängen und hinterlässt dunkle Lücken im Lichtspektrum. Das Muster der Lücken ist eine Art spektraler "Strichcode" für dieses Molekül. Spektrometer sammeln Licht und zeichnen diese Spektralmuster auf.

Das PRISM-Spektrometer sammelt Spektren im sichtbaren, ultravioletten und nahen Infrarotbereich, die die "Barcodes" für die meisten interessierenden Phänomene entlang der Küsten umfassen. Da es sich um ein luftgestütztes Instrument handelt, kann PRISM in kurzer Zeit immer wieder weite Küstenstreifen messen - wichtig bei der Überwachung sich schnell ändernder Bedingungen wie steigendem Hochwasser - und erstellt einen Datensatz auf regionaler Ebene, aber mit einer Menge Details Was kann durch Boot-basierte Kampagnen gesammelt werden. Boot-Kampagnen können nur Datensätze im lokalen Maßstab erstellen, weil sie so teuer und arbeitsintensiv sind.

PRISM misst alle Spektren in der gesamten Szene unterhalb ihres Luftbarsches. Jede luftgestützte Kampagne, die das Instrument verwendet, kann nur die Spektren auswählen, die sie für ihr Studiengebiet benötigt. Für die CORAL-Kampagne: "Wir sind hinter dem Bruchteil des Lichts, das es bis auf den Grund des Ozeans schafft, zurück zum Sensor, der das Signal für die Gesundheit des Korallenriffs trägt", sagte Thompson. Thompson entwarf seine Computeralgorithmen, um das unnötige Licht zu eliminieren und nur die Meeresbodenspektren zu isolieren. "Man kann sich das so vorstellen, als würde man die Schichten einer Zwiebel abblättern", sagte er. "Atmosphärischer Dunst unterscheidet sich von der Oberfläche, die vom Ozean glitzert, die sich von dem Licht unterscheidet, das teilweise in den Ozean hinunter gegangen ist, das sich vom Licht unterscheidet, das bis zum Meeresboden und zurück gegangen ist. All diese anderen optischen Pfade müssen in unserer Modellierung eliminiert werden. "

Um das Modell von Thompson zu testen, wird das Licht von jeder "Zwiebelschicht" mit Messungen derselben Substanz - der Menge an atmosphärischer Trübung und den lichtverändernden Eigenschaften des Meerwassers - verglichen, die an Bord von Booten an einigen Stellen entlang der "Insel" genommen wurde der Flugbahn des Flugzeugs gleichzeitig fliegt das Instrument über. "Es ist kritisch für die Mathematik (im Modell), an verschiedenen Punkten mit tatsächlichen, physikalischen Messungen gebunden zu sein", sagte Thompson. Wenn eine Messung der Trübung des Wassers auf dem Schiff mit der Berechnung desselben Modells übereinstimmt, gibt das Vertrauen, dass das Modell die von PRISM gesammelten Spektren richtig interpretiert.

Wie es funktioniert

Heidi Dierssen, Ozeanographin und Professorin an der Universität von Connecticut, Groton, und Co-Investigator in der CORAL-Kampagne, arbeitete an der Entwicklung von PRISM und nahm das Instrument bei ihrer ersten Feldkampagne zur Untersuchung von Seegras in kalifornischen Küstengewässern. Dierssen hat in der Vergangenheit viele verschiedene Instrumente verwendet, um Küstendaten zu sammeln. Als sie Sensoren verwendete, die für das Land optimiert wurden, um den Ozean zu beobachten, "haben sie uns keine guten Signale gegeben", sagte sie. "Wenn man sich ein Spektrum ansah, war es oft wellig, und man musste eine Menge Mühe darauf verwenden, es auf das zu kalibrieren, was man im Wasser gemessen hat." Als sie PRISM benutzte, "war ich schockiert", sagte sie. "Das erste Mal, dass wir Bilder gesammelt haben, haben wir sehr gute Übereinstimmung mit den Felddaten. Dieses Instrument ist wirklich ein Sprung nach vorne."

Die Projektwissenschaftlerin von CORAL, Michelle Gierach von JPL, hat die Daten von PRISM aus Dierssens Studie gesehen und das Instrument verwendet, um die Farbe des Ozeans (die auf Phytoplankton hinweisen kann) in der Antarktis im letzten Winter zu beobachten. "Wir haben erst begonnen, an der Oberfläche dessen, was PRISM kann, zu kratzen, vom Seegras über die Biologie im Südlichen Ozean bis hin zur Bewertung von Korallenriffen im gesamten westlichen tropischen Pazifik", sagte sie. "Das sind nur einige der Dinge, die PRISM in seinem Arsenal hat. Es gibt so viel mehr, was möglich ist."

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