Спектрометр NASA виявив стічні води з космосу

Спектрометр NASA, встановлений на Міжнародній космічній станції, зафіксував шлейф стічних вод, що витікають з річки Тіхуана в Тихий океан. Сигнал виявився достатньо потужним, щоб науковці могли відстежувати забруднення з орбіти, використовуючи лише одну колірну характеристику.

Шлейф поширюється вздовж узбережжя Південної затоки, де щороку через річку проходять мільйони галонів стічних вод. Дослідники зосередилися на характерному провалі відбитого світла поблизу 620 нанометрів — простому маркері, який чітко виділяється на загальному тлі.

У рецензованому дослідженні вчені порівняли дані, які отримав EMIT — спектрометр NASA, призначений для ідентифікації матеріалів на поверхні Землі — з космосу, зі спектрами, виміряними в лабораторії та в гирлі річки. Характеристика на довжині хвилі 620 нанометрів посилювалася зі зростанням концентрації стічних вод. Кілька показників якості води продемонстрували дуже тісну кореляцію, досягаючи коефіцієнта детермінації щонайменше 0,97.

Дослідження очолила Єва Скрівнер з Університету Коннектикуту. Її група простежила сигнал стічних вод від гирла річки до прибережних вод і показала, як можна картографувати його форму без відбору проб у кожному місці.

EMIT використовує спектроскопію зображень — техніку, яка фіксує сотні вузьких кольорових діапазонів одночасно. Прилад NASA вимірює світло у видимому та інфрачервоному діапазонах, щоб виявити присутні матеріали. Сенсор записує кожну сцену з роздільною здатністю близько 60 метрів, забезпечуючи широке охоплення та детальну інформацію. Така комбінація дозволяє бачити шлях шлейфу у воді, куди човни та люди не можуть безпечно потрапити.

Одним із кандидатів на роль джерела провалу на 620 нанометрах є фікоціанін — пігмент у ціанобактеріях, який поглинає оранжево-червоне світло та часто зростає у водах, багатих поживними речовинами. Ця можливість узгоджується з десятиліттями досліджень дистанційного зондування. Команда поки не визначила точне джерело. Іншою можливістю є хромофорна розчинена органічна речовина — коричневі розчинені молекули, що поглинають синє світло та можуть змінюватися разом зі стічними водами.

У лабораторії група змішувала морську воду з різною кількістю необроблених стічних вод і вимірювала відбивну здатність від 350 до 2500 нанометрів. У польових умовах вони порівнювали ці патерни зі спектрами від берегового приладу та зі сцен EMIT, знятих під час руху шлейфу на південь від гирла річки.

NASA висвітлило результати, зазначивши, що супутникові вимірювання тісно збігалися з польовими даними та підтвердили, що EMIT може надійно виявляти прибережне забруднення з орбіти.

Попередження про безпеку води на пляжах зазвичай базуються на точкових пробах та стаціонарних зондах. Ці інструменти важливі, але залишають прогалини, коли забруднення швидко змінюється після штормів або зміни скидів. Супутникові карти можуть вказати фахівцям з відбору проб на найбільш уражені зони в конкретний день. Характеристика на 620 нанометрах також відстежує ентерококи — фекальні бактерії, що використовуються як індикатор здоров'я, що допомагає агенціям вирішувати, де проводити тестування.

Метод не замінює лабораторні тести. Це швидкий скринінг, який показує, де умови виглядають найгіршими, тому команди можуть вибрати найінформативніші місця для відбору проб та уникнути небезпечних зон.

У міру просування ремонтних робіт за двосторонньою угодою, включаючи план завершити ключові проекти до 2027 року, угода визначає, як супутникові карти можуть керувати щоденними рішеннями. Спостереження за охопленням шлейфу допомагає перевірити, чи працюють виправлення.

Спектри EMIT виявляють западину поблизу 620 нанометрів та сусіднє плече біля 650 нанометрів. Команда використовувала висоту флуоресцентної лінії — індекс, що вимірює червоне світіння в спектрах, щоб відстежити, як це плече слабшає з відстанню від гирла річки. Пікселі, найближчі до гирла, показують найглибшу характеристику. Далі характеристика згладжується, оскільки морська вода розбавляє шлейф, пропонуючи чистий спосіб окреслити забруднення.

EMIT створювався для картографування пилу, але та сама точність також виявила витоки газу, дозволяючи науковцям простежити шлейфи метану та вуглекислого газу до їхніх окремих джерел. Ця історія має значення тут. Якщо один прилад може перевірити як повітряні, так і водні сигнали з однаковим рівнем точності, місцеві агенції можуть порівнювати небезпеки, використовуючи один потік даних.

Сигнал на 620 нанометрах може бути регіональним маркером, пов'язаним зі стічними водами та супутніми пігментами. Калібрування його для інших узбереж потребуватиме більше польових даних, ретельної атмосферної корекції та тестів у різні сезони. Проте підхід пропонує негайну користь. Він показує, де відбирати проби сьогодні та наскільки далеко поширилися стічні води вчора, що часто є відсутньою частиною для безпеки пляжів та бригад з очищення.

Дослідження опубліковано у виданні Science of the Total Environment.