A inovação pode transformar como a Califórnia monitora as flores de algas tóxicas

O reservatório de San Luis, no Condado de Merced-um dos maiores lagos artificiais da Califórnia-não apenas irriga terras agrícolas do vale central e suprimentos que bebem água no Vale do Silício e pela Baía Sul, mas também atrai nadadores, velejadores e pescadores durante todo o ano.

No entanto, por meses, por vez, cobertores verde-florestas de algas se espalharam pela superfície do lago. Apesar de sua aparência calma, essas flores de algas prejudiciais (HABS) podem atrapalhar Suprimentos de águaecossistemas e atividades de recreação – e apresentam sérios riscos à saúde.

Na última década, o Departamento de Recursos Hídricos da Califórnia (DWR) emitiu frequente Conselhos de saúde para o reservatório. Esses avisos, que aumentam de cautela em perigo, dizem aos visitantes quando evitar a água devido a toxinas que podem causar erupções cutâneas, irritação ocular e sintomas semelhantes a gripes. Habs até foram implicados no mortes de diversos bicho de estimação cães no estado nos últimos anos.

Enquanto obtinha sua pós -graduação em sistemas ambientais na Universidade da Califórnia, Merced, Brittany Barreto Martinez, agora pesquisadora de pós -doutorado no Laboratório de Hidrologia de Distúrbios da Universidade Estadual de San Diego, viu uma oportunidade para melhorar o monitoramento da HAB, que normalmente se baseava em amostras de água da linha de costa.

“Um dia saí para provar no fim de semana do Dia do Trabalho e, naturalmente, as pessoas levaram seus barcos para pescar e nadar”, disse Barreto Martinez. “Na época, o lago period muito verde, pelo menos em um nível de aviso. É valioso determinar os padrões de flores de algas mais adiante no lago, em vez de apenas nas bordas do lago, especialmente se for permitido passear de barco e pesca”.

Rastreando flores de cima

A formação de algas em excesso ocorre quando um sistema de água se enriquece com nutrientes, como fósforo e nitrogênio. Sob tais condições, algumas flores de algas, incluindo aquelas que contêm cianobactérias, dinoflagelados e diatomáceas, podem produzir toxinas que causam doenças quando ingeridas. Cianobactérias são a causa mais comum de Flores de algas prejudiciais em sistemas de água doce.

O escoamento de fertilizantes, esgotos e até incêndios florestais pode perturbar o equilíbrio de um ecossistema e levar a um excesso de nutrientes em lagos e reservatórios. No entanto, o impacto das atividades humanas na formação HAB tem sido difícil de definir devido às limitações da coleta de amostras de solo, o que permite apenas testes de ponto, mesmo que o crescimento de algas possa variar bastante entre os locais.

Para ter uma idéia melhor de como as algas começam a se acumular longe da costa, Barreto Martinez decidiu olhar para cima. Juntamente com seu consultor de doutorado, Erin Hestir, professor de engenharia civil e ambiental e diretora da Citris na UC Merced, ela decidiu explorar o uso de satélite sensoriamento remoto Detectar Habs dentro do reservatório de San Luis, do outro lado da superfície completa do lago.

Barreto Martinez fez uma parceria com Engenharia Ambiental O professor Marc Beutel, que recebeu financiamento da Citris na UC Merced, para seguir a pesquisa. Ela também recebeu apoio do Altamente Seletivo Futuro Investigador do Programa de Ciência e Tecnologia do Espaço da Terra (Finesst), que oferece até três anos de financiamento para estudantes de pós -graduação promissores que buscam tópicos de interesse na Diretoria da Missão Científica da NASA.

Buscando o ponto superb na sensibilidade do sensor

Barreto Martinez e sua equipe começaram determinando se as tecnologias de satélite existentes tinham a sensibilidade apropriada para esse novo aplicativo.

Todos os materiais físicos possuem assinaturas espectrais únicas, com base em como absorvem e refletem os comprimentos de onda da radiação eletromagnética (EMR), especialmente a luz visível.

A sensibilidade espectral de um sensor, ou a faixa de comprimentos de onda que ele mede, e sua resolução, ou a quantidade de detalhes que pode detectar, ambos têm limitações tecnológicas. Infelizmente, dadas as restrições de tamanho e peso inerentes ao lançamento de uma espaçonave em órbita, nem todo satélite pode ser equipado para detectar todos os comprimentos de onda do EMR. São necessárias trade-offs sobre sensibilidade e resolução espectral, e os critérios são cuidadosamente considerados com base no objetivo pretendido do satélite.

“Temos sensores de satélite projetados para imagens oceânicas e temos sensores de satélite projetados para imagens terrestres”, disse Hestir, “mas nenhum dos nenhum é feito especificamente para medir os lagos e as navegáveis na parte inside de nossa nação”.

Os satélites de observar a terra têm pequenos pixels que concedem uma resolução mais alta, mas têm baixa sensibilidade espectral à água, que tende a absorver, em vez de refletir, o EMR precisava criar uma imagem útil. Os satélites observendo oceânicos, por outro lado, são construídos para detectar grandes corpos de água, mas suas imagens são compostas de pixels maiores.

Preencher a lacuna nos dados da Bloom

Barreto Martinez encontrou dois satélites específicos, Sentinel 2 e Sentinel 3, que poderiam ser usados para detectar a clorofila – um proxy confiável para cianotoxinas, De acordo com a Organização Mundial da Saúde– e tanto clorofila quanto cianobactérias, respectivamente.

Graças à sua sensibilidade espectral mais ampla, o Sentinel 3 conseguiu confirmar quando cianobactérias e clorofila estavam presentes, enquanto o Sentinel 2 de alta resolução poderia discernir a variabilidade na densidade da flor de algas em diferentes áreas do lago.

Para sua investigação, Barreto Martinez usou informações de código aberto do Sentinel 2 e Sentinel 3, tiradas entre 2016 e 2022, selecionando imagens que foram tiradas nos mesmos dias em que o DWR coletou amostras de água da doca.

Como a equipe compartilhou em um 2024 Artigo no diário GeoHealthos dados resultantes do Sentinel 2 mostraram mais de 79% de concordância com os níveis de toxina encontrados nas amostras do solo e o Sentinel 3 encontrou 83% de concordância. Em outras palavras, as informações dos satélites corresponderam a um alto grau com a detecção de toxinas HAB ao lado, demonstrando a capacidade do sensoriamento remoto de determinar o tamanho e a localização das flores de algas dentro do lago.

O trabalho de Barreto Martinez fez progressos para fechar uma lacuna impressionante de coleta de dados e promover um maior grau de segurança pública. Avançando, os dados da detecção de satélite podem ajudar o DWR a decidir onde colher amostras de terra, permitindo que a agência emita alertas de saúde pública mais precisos ainda mais rapidamente.

Hestir atribuiu o impacto do projeto à abordagem metódica de Barreto Martinez.

“Brittany foi muito persistente”, disse ela. “Ela decidiu se tornar uma especialista na tecnologia de satélite relevante, desenvolver habilidades sofisticadas de codificação e análise de dados, criar um profundo conhecimento do sistema desses ecossistemas de lagos e até obter a certificação para lançar e dirigir um barco para coletar amostras de verificação”.

Identificando uma tendência alarmante

Quando a equipe revisou os dados históricos de todos os lagos da Califórnia visíveis do espaço, eles encontraram um aumento surpreendente no número de Days Poisonous HAB Alert em todo o estado – especialmente no sul da Califórnia – nos últimos 15 anos.

Essa tendência é paralela a um aumento de incêndios graves nas últimas duas décadas, levantando uma nova pergunta: os incêndios florestais poderiam estar impulsionando o aumento das algas do lago, direta ou indiretamente?

Hestir é financiado pela NASA Projeto Kelpfireque examina os efeitos do esconderijo do Wildfire na altura costeira, mostrou que a perda de vegetação aumenta os sedimentos e o escoamento da superfície. Após um incêndio, isso pode alterar os níveis de nutrientes que entram em lagos e reservatórios.

“Quanto da bacia hidrográfica foi queimada? E o que queimou?” disse Hestir. “Foram destruídos assentamentos humanos que podem estar adicionando poluentes prejudiciais e metais pesados nas vias navegáveis?

“Estamos trabalhando duro com nossos colegas da NASA, UCLA e USGS para entender melhor quando e por que um incêndio tem um impacto”.

A pesquisa de Hestir está entre várias colaborações emergentes entre os pesquisadores da Citris e a NASA, promovidos pela iniciativa de aviação Citris.

Mantendo os seres humanos no circuito

Enquanto isso, a amostragem no native permanecerá essencial no reservatório de San Luis para monitorar as qualidades da água que não podem ser determinadas visualmente, como níveis de nutrientes.

“O sensoriamento remoto não se destina a substituir as amostras ‘agarrar’; as duas técnicas trabalham de mãos dadas”, disse Barreto Martinez. “Onde os humanos não podem, essas máquinas podem.”

Ao introduzir uma ferramenta de medição suplementar que usa dados acessíveis e confiáveis, Barreto Martinez conseguiu estender as capacidades de sensoriamento remoto mais longe do que havia pensado possível.

“Abordar a perspectiva da saúde pública foi muito gratificante”, disse ela, “porque conectou a tecnologia de detecção a melhorar a vida e a segurança do dia-a-dia das pessoas”.