Pourquoi y a-t-il tant de chansons sur les arcs-en-ciel ? Pour le prochain plancton de la NASA, Aérosol, Nuage, mission Ecosystème océanique, ou PACE, les couleurs de l'arc-en-ciel ou, si tu préfères, les longueurs d'onde visibles du spectre électromagnétique sont la clé pour débloquer une multitude de nouvelles données sur le ciel 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 lors du lancement de la mission 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 de la chaîne alimentaire marine et génèrent la moitié de l'oxygène de la Terre. Les communautés phytoplanctoniques bénéfiques alimentent la pêche, mais les proliférations d'algues nuisibles (HAB) peuvent empoisonner les animaux et les humains et perturber les industries du tourisme et de la pêche.

Quand 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 réfléchissent différentes couleurs de lumière :l'eau claire de l'océan 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 de la matière organique dissoute. PACE peut voir de petites variations dans ces différences de couleurs visibles avec beaucoup plus de détails que jamais.

Comme PACE repère toutes les couleurs de l'arc-en-ciel au-dessus de l'océan et de l'atmosphère, il fournira aux scientifiques de nouvelles découvertes à toutes les longueurs d'onde.

Ultraviolet et violette

Les longueurs d'onde ultraviolettes (invisibles à l'œil humain) et violettes (qui sont visibles) aident les scientifiques à se renseigner sur les aérosols :particules dans l'atmosphère qui peuvent être organiques ou inorganiques, solide ou liquide, allant de la poussière et de la suie au sel marin et aux gouttelettes chimiques. Ces longueurs d'onde permettent de 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, faire la distinction entre la chlorophylle (un pigment vert présent dans tout le phytoplancton) et les autres matières organiques. Connaître la différence est important pour étudier la quantité de carbone qui est stockée et stockée dans les profondeurs de l'océan.

"Tous les planctons ne font pas la même chose en matière de carbone, " a déclaré Ivona Cetinić, océanographe au Goddard Space Flight Center (GSFC) de la NASA et responsable scientifique du projet PACE pour la biogéochimie. « Certains sont de meilleurs producteurs, certains sont de meilleurs séquestrants qui attirent le dioxyde de carbone. Une fois que le carbone pénètre dans le plancton, ce qui se passe plus tard dépend du type de plancton. Si c'est minuscule, il y a de grandes chances qu'il soit mangé par un zooplancton - ce sont de minuscules vaches, non? – qui se fera manger par un plus gros, etc. 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."

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'ils absorbent et diffusent. Les couleurs dans la gamme bleue du spectre permettront aux scientifiques de voir la composition des communautés phytoplanctoniques.

"Si vous regardez un pré, tout a l'air vert à tes yeux, mais vous voulez connaître tous les acteurs de cet écosystème, " a déclaré Cetinić. " Il est rare que vous n'obteniez qu'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, pas seulement une ou deux espèces, mais toute la communauté."

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

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 avoir des particules plus grosses que celles produites par l'homme comme la suie ou la fumée, la taille des particules permet donc d'identifier les sources d'aérosols.

"Il y a plusieurs raisons pour lesquelles il est important de mieux comprendre les aérosols, " a déclaré Andrew Sayer, scientifique de l'atmosphère à la NASA GSFC et responsable scientifique du projet PACE pour les atmosphères. "L'une des raisons est que les prévisions de qualité de l'air sont plus utiles. Une autre est liée au climat :l'effet de refroidissement ou de réchauffement des aérosols sur le climat, la façon dont ils interagissent avec les clouds et affectent la durée de vie du cloud, 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 les modèles climatiques de manière plus approfondie et les améliorer. »

De la même manière, différentes espèces de phytoplancton sont de tailles différentes, cette variable permet donc d'identifier qui est qui dans une communauté de plancton.

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, quelle est l'efficacité de leur photosynthèse et de quelle couleur ils sont - toutes les informations qu'ils peuvent recueillir avec des longueurs d'onde jaune et orange.

Comprendre la santé du phytoplancton peut aider à prédire les proliférations d'algues nuisibles, ou HAB. Lorsque des substances provenant de la terre se déversent dans l'océan, ils deviennent parfois un régal pour les algues, leur permettre de manger, croître et se multiplier rapidement. Les HAB peuvent générer des toxines nocives qui rendent malades la faune marine et les humains et épuisent 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 ce qui se passe sur la plage, " a déclaré Cetinić. " C'est juste qu'aujourd'hui nous le recherchons davantage, et aussi les influences anthropiques rendent les proliférations plus fréquentes."

Alors que les minéraux naturels peuvent se déverser dans l'océan et nourrir les algues, produits chimiques produits par les humains - engrais à gazon, produits chimiques de traitement des eaux usées et produits chimiques agricoles, par exemple, sont un bien plus grand coupable.

"Quand un écosystème est en équilibre, ce n'est jamais statique. Une chose est dominante, puis ça roule, " a déclaré Cetinić. " Mais quand 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 vite, et ça prend le dessus."

Rouge et proche infrarouge

Les longueurs d'onde du rouge et du proche infrarouge 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 en suspension après une tempête, sont souvent de couleur très différente de celle de l'océan ouvert. Les variations de couleurs réfléchies par les zones côtières donnent non seulement aux scientifiques des indices sur la santé des organismes qui y vivent, qui les aide également à se préparer aux HAB côtiers, mais aussi informer sur les débits sortants 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 HAB, comme ne pas récolter ou vendre de poissons qui consomment les algues toxiques, préparer les bureaux vétérinaires à un afflux d'animaux malades, aérer l'eau pour éviter que les créatures des fonds marins ne souffrent d'un manque d'oxygène, et avertissant les consommateurs de ne pas manger de sardines ou d'huîtres, elle a 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, " Cetinić a déclaré. "L'information précoce permet toujours d'économiser de l'argent pour les économies locales."

Infrarouge à ondes courtes

Juste en dehors de la gamme 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. Il aide également avec des calculs similaires pour l'atmosphère au-dessus de la côte, qui aide à l'étude des nuages ​​et de la biologie côtière.

"Les nuages ​​reflètent la lumière du soleil, ils emprisonnent la chaleur et la lumière, " Sayer a déclaré. "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 combler une lacune importante dans la modélisation, dit Sayer. Les nuages ​​et les aérosols interagissent 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 qui brûle en Afrique centrale et australe, qui culmine d'août à octobre. Beaucoup de choses s'envolent au-dessus de l'océan, où il y a une plate-forme de nuages ​​bas. C'est pareil 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, il a dit.

"Si vous êtes un modélisateur climatique essayant de modéliser le transport des aérosols dans le monde, il existe de vastes régions du monde où vous obtenez des quantités limitées de données utiles, " expliqua-t-il. " Avec l'OCI, avoir plus de bandes spectrales aidera vraiment à combler certaines de ces lacunes. Disposer d'un instrument hyperspectral qui va dans l'ultraviolet permettra de quantifier beaucoup plus facilement ces aérosols, surtout en combinaison avec les polarimètres."