科学家们利用安装在卫星上的激光绘制全球海洋移民图

时间:2020-01-20 18:02 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

科学家们利用安装在卫星上的激光绘制全球海洋移民图

在第二次世界大战期间,海军海洋学家发现了一个反射层,在他们的声纳屏幕上,每天上升和下降一次。进一步的研究表明,它包括成群的鱼类和被称为浮游动物的微小海洋生物,它们在日落时向海洋表面迁移,在黑暗的掩护下进食,然后在黎明时分游回漆黑的深海,在白天躲避自己的捕食者。

最初价值作为潜艇的方法隐藏他们的动作,现在每天垂直迁移是扮演着一个重要的角色在全球碳循环中,消费的表面藻类浮游动物携带碳迁移到深海,从而减少海洋表面和大气中的二氧化碳含量。但是,通过这种“生物泵”输出到深海的碳的确切数量仍然很难在全球范围内进行量化,因为它是基于对浩瀚海洋上单个船只的间歇性测量。

一项发表在12月12日的《自然》杂志上的研究报告称,利用卫星携带的激光雷达来绘制浮游动物在过去10年里每天在全球海洋中垂直迁移的情况。激光雷达相当于激光声纳,使用光脉冲而不是声音来成像空中和水中的物体。

该研究的第一作者、俄勒冈州立大学的迈克尔·贝伦菲尔德说:“激光雷达让我们得以每隔16天在全球范围内对这些迁徙动物进行采样,持续10年。我们从未有过这样的全球覆盖范围,让我们能够看到(ir)的行为、分布和丰富程度。”

科学家们利用安装在卫星上的激光绘制全球海洋移民图

VIMS教授和合著者黛博拉·斯坦伯格(Deborah Steinberg)通过“地面真实”(land -truthing)为这项研究做出了贡献。“地面真实”是一种基于卫星的测量方法,通过部署细网收集船舶数据,然后计算和识别迁徙的浮游动物的多种物种。过去三十年来,她一直在进行浮游动物垂直迁移的实地研究,最近一次是在南极洲附近、百慕大和东北太平洋,作为出口项目的一部分。

Steinberg说:“结合来自船只和卫星的数据,我们可以大大扩展我们的研究足迹。”“这有助于增加我们对浮游动物在全球碳循环中作用的定量认识,特别是在其时空变异性方面。”这些知识对于完善全球气候模型至关重要。”

加入Behrenfeld和斯坦伯格研究11其他海洋和空间科学研究所的研究人员在世界各地,包括美国国家航空航天局兰利研究中心在汉普顿,弗吉尼亚州,华盛顿NASA总部特区其他合作者来自欧洲在法国海洋研究所,阿拉斯加费尔班克斯大学的英属哥伦比亚大学、加州大学圣芭芭拉分校缅因大学、弗吉尼亚大学和华盛顿大学。

来自NASA Langley的合作者Chris Hostetler说:“这是一项最新的研究,它证明了一件令许多人吃惊的事情——lidars具有从太空提供科学上有用的海洋测量的敏感性。我认为,我们只是触及了(这个工具)可以实现的令人兴奋的新海洋科学的皮毛。”

研究小组发现,在亚热带海域的清澈水域中,垂直迁移的浮游动物通常占所有浮游生物的更大比例,这与避免视觉捕食者是这些地区的重要战略的观点相一致。他们还发现,这些动物的总质量在极地和上升流地区更高,那里的食物通常更丰富。

从2008年到2017年这10年的卫星记录还揭示了垂直迁移的浮游动物数量的显著趋势,这似乎与地表水中食物供应的变化有关。卫星数据和世界上两个长期的、基于船舶的采样站所收集的数据之间的普遍一致证明了激光雷达的新方法。这些监测站分别是夏威夷海洋时间序列和百慕大大西洋时间序列,斯坦伯格从20世纪90年代末开始领导一个浮游动物监测项目。

Steinberg说:“我们的研究结果提供了垂直迁移的浮游动物全球活动的详细视图,并为我们如何量化它们在碳循环中的重要性提供了一条途径。”

从基于船舶的声纳和网络到基于卫星的激光雷达

声呐和激光雷达最初是首字母缩写:声呐用于声音导航和测距,激光雷达用于光探测和测距。无论是100米的潜艇还是1毫米的桡足类,都可以通过发射能量脉冲和记录任何与背景密度不同的物体的反射来绘制目标区域的图像。

声呐长期以来一直是海洋学家最喜欢的工具,因为即使是在浑浊的海水中,声音也可以传播很远的距离,为浮游动物在单一地点的垂直迁移提供了一个全面的视角,特别是当与昼夜对比网拖曳相结合来校准声呐时。但是,由于船舶时间成本高,很少定期或长时间收集这些测量数据。

传统上认为激光雷达在海洋研究中的应用有限,因为光在相对清澈的水中很快就会衰减。近几十年来,它一直被部署在飞机上,研究浮游动物和其他海洋生物的分布,但只在几米高的海水和有限的地理范围内。与舰载声纳一样,机载激光雷达也存在成本高、采样不规律的问题。

《自然》杂志的这项研究是第一次使用基于卫星的激光雷达传感器来绘制全球范围内垂直迁移的浮游动物的数量和分布。与其他测量反射阳光的海洋传感器不同,激光雷达使用激光光源,也使它有能力在白天和晚上测量海洋生物——这对研究每日垂直迁移的强度至关重要。

该传感器实际上是为了研究大气而设计的,自从2006年在美国国家航空航天局(NASA)和法国航天局(French space agency)的一个合资项目中,它被安装在一枚德尔塔(Delta II)火箭上发射以来,一直在这样做。研究小组的突破在于重新利用激光雷达数据来解释全球范围内浮游动物数量的变化。

贝伦菲尔德说:“CALIPSO激光器在海洋表面的探测范围是直径300英尺,垂直采样深度66英尺。”CALIPSO是云气溶胶激光雷达和红外探路者卫星的缩写。“这意味着每一个激光雷达测量集成的信号来自一个水量是使用传统船载光学传感器测量整个晚上的信号的500万倍。”

卫星激光雷达数据的一个挑战是,测量到的昼夜之间的差异不仅是由于垂直迁移的浮游动物数量的变化,而且还反映了它们赖以为生的浮游植物的变化。“需要对现场数据进行进一步的建模和分析,以细化对其他参与者的描述,”Behrenfeld说。

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