NASA帮助预警湖泊、水库中 有害藻类爆发
关注淡水：通过预测旱灾和洪水，跟踪藻类的爆发，美国国家航空航天局（NASA）对全球淡水的研究发现及观点帮助人们更好地管理水资源。
版权：NASA /Katy Mersmann
有害藻类爆发会给美国沿海地区和湖泊带来严重问题。当含有毒素的水生生物繁殖并形成藻华时，会使人和宠物生病，污染饮用水，并迫使划船和游泳场所关闭。
由于监测资源有限，且藻华通常难以预测，水资源管理者正转向NASA及其合作伙伴开发的新技术，以查明并跟踪潜在的危害。这对于用于娱乐和保障饮用水来源的湖泊和水库尤为重要。
美国国家环境保护局（EPA）为安卓（Android）移动设备开发的一款新应用程序将根据卫星观测到的水体颜色的具体变化，在可能形成有害藻华的时候向官员和公众发出警报。该应用程序是多机构蓝藻评估网络（CyAN）的产品，目前已经可以在谷歌应用市场（Google play）下载。
NASA戈达德太空飞行中心CyAN负责人Jeremy Werdell表示：“我们的想法是使用遥感作为一个空中之眼，通过早期预警系统获得有害蓝藻在美国内陆湖泊的照片。” EPA，美国地质勘探局（USGS）和美国国家海洋和大气管理局（NOAA）也参与了相关工作。
Werdell说：“资源是有限的，不可能实现使地面上的每个人一直监测所有的内陆水体。卫星为帮助告知人们应如何以及在何时花费资源去收集水样提供了工具。”
从1978年开始，NASA就一直在太空中研究水质，利用海岸带水色扫描仪（Coastal Zone Color Scanner）通过海洋的颜色来研究浮游植物种群。后来的仪器，例如NASA的Terra和Aqua卫星上搭载的中分辨率成像光谱仪（Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer）等，分辨率较高，足以分辨较大的内陆湖泊和水库，因此科学家们开始利用这些仪器采集的数据来探测淡水中蓝藻的特征。
由于用于监测有害藻华的资源有限，水资源管理人员正在寻求NASA其合作伙伴的新技术，以查明并监测湖泊和水库中的潜在危害。
版权：NASA/凯蒂•杰普森（Katie Jepson）
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蓝藻天然出现在于许多水体中，从五大湖到附近的小池塘。少数情况下，这些藻类不会造成什么问题。但是在适当的条件（温暖的水，阳光，加上经常冲刷农田的营养物质）下，蓝藻可以繁殖并形成潜在的有毒藻华。
虽然单个藻类是微观的，但从太空中可以看到藻华。由于蓝藻的主要光合色素，大量的蓝藻能够以大片的绿色出现。它们的存在也可以通过荧光检测出来，这种荧光是藻类暴露在阳光下时释放出来的。利用藻华的独特特性，NASA/USGS Landsat卫星上的仪器、欧洲航天局哥白尼Senteinel-2号和哥白尼Sentinel-3号卫星，以及其他几颗卫星，都能够精确定位藻类的存在。
位于美国马里兰州格林贝尔特的戈达德太空飞行中心的研究员布丽姬特•西格斯（Bridget Seegers）表示，作为CyAN项目的一部分，根据已经开发的计算机程序对Sentinel-3号卫星观测结果进行运算，NASA超级计算机每周都会对全美2000多个湖泊的颜色和其他水质信息生成报告。
新CyAN应用程序的用户可以用大头针来标记一个特定的湖泊 – 如果湖泊没有藻华，大头针就会显示为绿色；如果存在藻类，但低于一定的关注阈值，大头针就会显示为黄色；若大头针显示为红色，则表明可能存在藻华。Seegers说，新CyAN应用程序不仅是为水质管理人员设计的，还是为那些把独木舟放在汽车上并讨论去哪里的人设计的，也是为那些对划独木舟的最佳湖泊提供建议的运动用品指导人设计的。
EPA的研究生态学家、CyAN项目负责人布莱克•谢弗（Blake Schaeffer）表示，CyAN计划始于2015年，一直在与州和地方机构合作，以识别潜在的有害藻华。
他说，EPA区域和水办公室的水质管理人员与CyAN合作，对应用程序和卫星数据进行测试和评估，此外，公民科学家团体、部落团体和公众也对这些数据表现出了兴趣。
Schaeffer说：“我们正在把卫星信息的力量直接交到人民手中。他们不需要挖掘数据；他们倾向于选择被推送给自己的数据。”
然而，该计划确实有局限性。卫星无法穿透云层，而且由于Sentinel-3A的分辨率需要当湖泊的宽度略大于半英里（900米）时，才能获得最高质量的数据。
为了观察更小的湖泊和水库，Schaeffer和其他人正在转向陆地卫星。陆地卫星由于云层问题（以及不那么频繁的重访)，对于一个特定区域，科学家们每一个月才能得到一个清晰的测量结果。但由于陆地卫星具有更高的空间分辨率，可以从美国60%以上的湖泊和水库，也就是17万多个水体中追踪水质信息。
来自陆地卫星8号的数据可以用来检测高浓度的叶绿素a（在这幅威斯康辛州的图片中以深绿色显示），这可以对水资源管理者提供潜在的有害藻华预警。
版权：NASA地球观测站/ Joshua Stevens
陆地卫星与哨兵3号（Sentinel-3）卫星相辅相成；陆地卫星具有更高的空间分辨率，而Sentinel-3则更频繁地在单个地点收集数据，并探测更适合蓝藻的波长。此外，陆地卫星有热传感器，可以用来监测湖泊的表面温度，这非常有用，因为正是温度升高促进了藻华的生长。Schaeffer正在研究如何将这个额外的因素添加到监控程序中。
戈达德的研究人员、陆地卫星科学小组成员尼玛•帕勒万(Nima Pahlevan)说，我们的最终目标是利用哨兵2号（Sentinel-2）、陆地卫星和其他卫星等多种来源的数据以及收集到的有关水的信息，建立一个水质监测系统。
Pahlevan和他的团队正在研究如何最好地利用陆地卫星和哨兵卫星收集到的数据来识别湖泊、河流、水库和其他存在过量藻类的水体。陆地卫星的任务从20世纪70年代末就开始了，因此研究人员和水资源管理人员可以追踪特定湖泊的历史，以确定每个湖泊，可能甚至是湖泊图像中的单个像素，是否发生了变化，以及这是否预示着藻华。
Pahlevan说：“我们希望利用这些准实时拍摄的图像，能够在短到3至4小时的时间内建立一个针对每个湖泊或水库发出特定警告的系统。”
该研究团队面临的一个挑战是，没有多少不同湖泊的水测量数据可以与卫星报告的数据进行比较和验证。在陆地卫星项目科学办公室的支持下，Pahlevan和其合作者在威斯康辛州的格林湾、佛罗里达州的奥基乔比湖和加利福尼亚州的灰熊湾放置了三种仪器来对水进行测量，并与陆地卫星和其他卫星的测量结果进行比较。
有了这些实地数据，今年夏天的工作包括使用陆地卫星和Sentinel-2对一小部分湖泊进行追踪，Pahlevan希望建立这个项目并在2020年夏天之前将其扩展到一个涵盖更多地点的操作系统。
对于像唐阿丽娅•丁斯莫尔（Donalea Dinsmore）这样在威斯康辛州自然资源部(DNR)工作的人来说，在该州控制有害藻华发生的一系列方法之外，补充更多的卫星监测工具将受到欢迎。她说，DNR每年夏天都会收到关于漂浮在湖面上的绿色污物是否有害的问题，或者关于狗在湖中游泳或饮水后患病的报告。威斯康辛州的DNR有工作人员监控该州数千个湖泊中的许多湖泊，但他们无法监控到所有地方。
Dinsmore说：“有15000个湖泊，你能做到访问全部湖泊吗？而且取决于你什么时候去，也可能会错过藻华。如果盲目实施，这将是一个非常复杂且昂贵的监测项目。”