SeaWiFS (Sea-Viewing Wide Field-of-View Sensor) fue un sensor satelital diseñado para recopilar datos biológicos oceánicos globales. Activo desde septiembre de 1997 hasta diciembre de 2010, su misión principal era cuantificar la clorofila producida por el fitoplancton marino (plantas microscópicas). Muchos de los objetivos se han continuado con otros proyectos, como Terra MODIS , Aqua MODIS , Sentinel-3 y la misión PACE .
SeaWiFS fue el único instrumento científico del satélite OrbView-2 (también conocido como SeaStar) de GeoEye , y fue un experimento de seguimiento del Coastal Zone Color Scanner en Nimbus 7. Lanzado el 1 de agosto de 1997 en un pequeño cohete lanzado desde el aire Pegasus de Orbital Sciences , SeaWiFS comenzó sus operaciones científicas el 18 de septiembre de 1997 y dejó de recopilar datos el 11 de diciembre de 2010, [1] superando ampliamente su período operativo diseñado de 5 años. [2] La resolución del sensor es de 1,1 km (LAC, "Cobertura de área local") y 4,5 km (GAC, "Cobertura de área global"). El sensor registró información en las siguientes bandas ópticas :
El instrumento fue diseñado específicamente para monitorear las características del océano, como la concentración de clorofila-a y la claridad del agua. Podía inclinarse hasta 20 grados para evitar la luz solar sobre la superficie del mar. Esta característica es importante en latitudes ecuatoriales donde el destello de la luz solar a menudo oscurece el color del agua. SeaWiFS había utilizado la boya óptica marina para la calibración indirecta.
La misión SeaWiFS es una colaboración entre la industria y el gobierno, en la que el Grupo de Procesamiento de Biología Oceánica de la NASA en el Centro de Vuelos Espaciales Goddard es responsable de la recopilación, el procesamiento, la calibración, la validación, el archivo y la distribución de los datos. El actual director del proyecto SeaWiFS es Gene Carl Feldman .
Las concentraciones de clorofila se obtienen a partir de imágenes del color del océano. En términos generales, cuanto más verde es el agua, más fitoplancton hay en ella y mayores son las concentraciones de clorofila. La clorofila a absorbe más luz azul y roja que la verde, y la luz reflejada resultante cambia de azul a verde a medida que aumenta la cantidad de clorofila en el agua. Con este conocimiento, los científicos pudieron utilizar proporciones de diferentes colores reflejados para estimar las concentraciones de clorofila.
Muchas fórmulas calculan la clorofila comparando la proporción de luz azul y verde y relacionando esas proporciones con concentraciones de clorofila conocidas en los mismos momentos y lugares que las observaciones satelitales. El color de la luz se define por su longitud de onda, y la luz visible tiene longitudes de onda de 400 a 700 nanómetros, progresando desde el violeta (400 nm) hasta el rojo (700 nm). Una fórmula típica utilizada para los datos de SeaWiFS (denominada OC4v4) divide la reflectancia del máximo de varias longitudes de onda (443, 490 o 510 nm) por la reflectancia a 550 nm. Esto equivale aproximadamente a una proporción de luz azul a luz verde para dos de las longitudes de onda del numerador, y una proporción de dos longitudes de onda verdes diferentes para la otra combinación posible.
La reflectancia (R) devuelta por esta fórmula se introduce luego en un polinomio cúbico que relaciona la relación de bandas con la clorofila. [3]
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Esta fórmula, junto con otras, se derivó empíricamente utilizando concentraciones de clorofila observadas. Para facilitar estas comparaciones, la NASA mantiene un sistema de datos oceanográficos y atmosféricos llamado SeaBASS (SeaWiFS Bio-optical Archive and Storage System). Este archivo de datos se utiliza para desarrollar nuevos algoritmos y validar productos de datos satelitales al comparar las concentraciones de clorofila medidas directamente con las estimadas de forma remota desde un satélite. Estos datos también se pueden utilizar para evaluar la corrección atmosférica (que se analiza a continuación) que también puede influir en gran medida en los cálculos de concentración de clorofila.
Se probaron numerosos algoritmos de clorofila para ver cuáles se ajustaban mejor a la clorofila a nivel mundial. Los distintos algoritmos funcionan de manera diferente en diferentes entornos. Muchos algoritmos estiman las concentraciones de clorofila con mayor precisión en aguas profundas y claras que en aguas poco profundas. En aguas poco profundas, la reflectancia de otros pigmentos, detritos y el fondo del océano puede causar imprecisiones. Los objetivos declarados de las estimaciones de clorofila de SeaWiFS son "... producir radiancias de salida de agua con una incertidumbre del 5% en regiones de aguas claras y concentraciones de clorofila a dentro de ±35% en el rango de 0,05–50 mg m-3". [2] Cuando se evalúa la precisión a escala global y se agrupan todas las observaciones, entonces este objetivo se cumple claramente. [5] Muchas estimaciones satelitales varían de un tercio a tres veces las registradas directamente en el mar, aunque la relación general sigue siendo bastante buena. [4] Surgen diferencias cuando se examinan por región, aunque en general los valores siguen siendo muy útiles. Un píxel puede no ser particularmente preciso, pero cuando se toman promedios de áreas más grandes, los valores se promedian y brindan una vista útil y precisa de los patrones más grandes. Los beneficios de los datos de clorofila de los satélites superan con creces cualquier falla en su precisión simplemente por la cobertura espacial y temporal posible. Las mediciones de clorofila realizadas desde barcos no pueden acercarse a la frecuencia y la cobertura espacial que brindan los datos satelitales.
La luz reflejada desde el subsuelo oceánico se denomina radiancia que desprende agua y se utiliza para estimar las concentraciones de clorofila. Sin embargo, solo entre el 5 y el 10 % de la luz en la parte superior de la atmósfera proviene de la radiancia que desprende agua. [6] [7] El resto de la luz se refleja desde la atmósfera y desde los aerosoles dentro de ella. Para estimar las concentraciones de clorofila, se debe tener en cuenta esta radiancia que no desprende agua. También se debe eliminar de los cálculos de clorofila parte de la luz reflejada desde el océano, como la de las crestas blancas y el destello del sol, ya que son representativas de las olas del océano o del ángulo del sol en lugar del subsuelo oceánico. El proceso de eliminar estos componentes se denomina corrección atmosférica. [8]
Una descripción de la luz, o radiancia, observada por el sensor del satélite se puede expresar de manera más formal mediante la siguiente ecuación de transferencia radiativa:
Donde L T (λ) es la radiancia total en la parte superior de la atmósfera, L r (λ) es la dispersión de Rayleigh por las moléculas de aire, L a (λ) es la dispersión por aerosoles en ausencia de aire, L ra (λ) son las interacciones entre las moléculas de aire y los aerosoles, TL g (λ) son los reflejos del destello, t(L f (λ) son los reflejos de la espuma y L W (λ)) son los reflejos del subsuelo del agua, o la radiancia que sale del agua. [2] Otros pueden dividir la radiancia en algunos componentes ligeramente diferentes, [8] aunque en cada caso los parámetros de reflectancia deben resolverse para estimar la radiancia que sale del agua y, por lo tanto, las concentraciones de clorofila.
Aunque SeaWiFS fue diseñado principalmente para monitorear las concentraciones de clorofila a en el océano desde el espacio, también recopiló muchos otros parámetros que están disponibles gratuitamente para el público con fines de investigación y educativos. Estos parámetros, además de la clorofila a, incluyen la reflectancia, el coeficiente de atenuación difusa, la concentración de carbono orgánico particulado (POC), la concentración de carbono inorgánico particulado (PIC), el índice de materia orgánica disuelta coloreada (CDOM), la radiación fotosintéticamente activa (PAR) y la altura de la línea de fluorescencia normalizada (NFLH). Además, a pesar de estar diseñado para medir la clorofila oceánica, SeaWiFS también calcula el índice de vegetación de diferencia normalizada (NDVI), que es una medida de la fotosíntesis en tierra.
Los datos de SeaWiFS son de libre acceso desde una variedad de sitios web, la mayoría de los cuales son administrados por el gobierno. La ubicación principal de los datos de SeaWiFS es el sitio web OceanColor de la NASA [1], que mantiene la serie temporal de toda la misión SeaWiFS. El sitio web permite a los usuarios explorar imágenes individuales de SeaWiFS en función de las selecciones de tiempo y área. El sitio web también permite explorar diferentes escalas temporales y espaciales con escalas espaciales que van desde 4 km a 9 km para los datos mapeados. Los datos se proporcionan en numerosas escalas temporales, incluidas imágenes diarias, de varios días (por ejemplo, 3, 8), mensuales y estacionales, hasta composiciones de toda la misión. Los datos también están disponibles a través de FTP y descarga masiva.
Los datos se pueden explorar y recuperar en una variedad de formatos y niveles de procesamiento, con cuatro niveles generales desde sin procesar hasta la salida modelada. [9] El nivel 0 son datos sin procesar que normalmente no se proporcionan a los usuarios. Los datos de nivel 1 se reconstruyen pero sin procesar o mínimamente procesados. Los datos de nivel 2 contienen variables geofísicas derivadas, aunque no están en una cuadrícula de espacio/tiempo uniforme. Los datos de nivel 3 contienen variables geofísicas derivadas agrupadas o mapeadas en una cuadrícula uniforme. Por último, los datos de nivel 4 contienen variables modeladas o derivadas, como la productividad primaria del océano.
Los científicos que deseen crear cálculos de clorofila u otros parámetros que difieran de los que se ofrecen en el sitio web OceanColor probablemente utilizarán datos de nivel 1 o 2. Esto se puede hacer, por ejemplo, para calcular parámetros para una región específica del globo, mientras que los productos de datos estándar de SeaWiFS están diseñados para una precisión global con las compensaciones necesarias para regiones específicas. Los científicos que estén más interesados en relacionar los resultados estándar de SeaWiFS con otros procesos, normalmente utilizarán datos de nivel 3, en particular si no tienen la capacidad, la formación o el interés en trabajar con datos de nivel 1 o 2. Los datos de nivel 4 se pueden utilizar para investigaciones similares si están interesados en un producto modelado.
La NASA ofrece software gratuito diseñado específicamente para trabajar con datos de SeaWiFS a través del sitio web Ocean Color. Este software, llamado SeaDAS (SeaWiFS Data Analysis System), está diseñado para la visualización y el procesamiento de datos satelitales y puede trabajar con datos de nivel 1, 2 y 3. Aunque originalmente fue diseñado para datos de SeaWiFS, sus capacidades se han ampliado desde entonces para trabajar con muchas otras fuentes de datos satelitales. También se pueden utilizar otros programas o lenguajes de programación para leer y trabajar con datos de SeaWiFS, como Matlab , IDL o Python .
La estimación de la cantidad de clorofila global o regional, y por lo tanto de fitoplancton, tiene grandes implicaciones para el cambio climático y la producción pesquera. El fitoplancton desempeña un papel enorme en la absorción del dióxido de carbono del mundo, un contribuyente principal al cambio climático . Un porcentaje de este fitoplancton se hunde en el fondo del océano, extrayendo efectivamente el dióxido de carbono de la atmósfera y secuestrándolo en el océano profundo durante al menos mil años. Por lo tanto, el grado de producción primaria del océano podría desempeñar un papel importante en la desaceleración del cambio climático. O, si la producción primaria se desacelera, el cambio climático podría acelerarse. Algunos han propuesto fertilizar el océano con hierro para promover la proliferación de fitoplancton y eliminar el dióxido de carbono de la atmósfera. Ya sea que se realicen estos experimentos o no, la estimación de las concentraciones de clorofila en los océanos del mundo y su papel en la bomba biológica del océano podría desempeñar un papel clave en nuestra capacidad de prever y adaptarnos al cambio climático.
El fitoplancton es un componente clave en la base de la cadena alimentaria oceánica y los oceanógrafos han planteado la hipótesis de un vínculo entre la clorofila oceánica y la producción pesquera durante algún tiempo. [10] El grado en que el fitoplancton se relaciona con la producción de peces marinos depende del número de eslabones tróficos en la cadena alimentaria y de la eficiencia de cada eslabón. Las estimaciones del número de eslabones tróficos y de la eficiencia trófica del fitoplancton a la pesca comercial han sido ampliamente debatidas, aunque han sido poco corroboradas. [11] Investigaciones más recientes sugieren que las relaciones positivas entre la clorofila a y la producción pesquera se pueden modelar [12] y pueden estar altamente correlacionadas cuando se examinan en la escala adecuada. Por ejemplo, Ware y Thomson (2005) encontraron un r 2 de 0,87 entre el rendimiento de los peces residentes (toneladas métricas km-2) y las concentraciones medias anuales de clorofila a (mg m-3). [13] Otros han encontrado que el Frente de Clorofila de la Zona de Transición del Pacífico (densidad de clorofila de 0,2 mg m-3) es una característica definitoria de la distribución de la tortuga boba. [14]
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