SeaWiFS (Sensor de campo de visión amplio de visualización del mar) era 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).
SeaWiFS fue el único instrumento científico en el satélite OrbView-2 (también conocido como SeaStar) de GeoEye , y fue un experimento de seguimiento del escáner de color de la zona costera en Nimbus 7 . Lanzado el 1 de agosto de 1997 en un pequeño cohete lanzado desde el aire Orbital Sciences Pegasus , SeaWiFS comenzó sus operaciones científicas el 18 de septiembre de 1997 y dejó de recopilar datos el 11 de diciembre de 2010, [1] superando con creces 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. Pudo inclinarse hasta 20 grados para evitar la luz solar de la superficie del mar. Esta característica es importante en latitudes ecuatoriales donde el brillo de la luz solar a menudo oscurece el color del agua. SeaWiFS había utilizado la boya óptica marina para una calibración indirecta.
La Misión SeaWiFS es una asociación entre la industria y el gobierno, en la que el Grupo de Procesamiento de Biología Oceánica de la NASA en el Centro de Vuelo Espacial Goddard es responsable de la recopilación, el procesamiento, la calibración, la validación, el archivo y la distribución de datos. El actual director del proyecto SeaWiFS es Gene Carl Feldman .
Las concentraciones de clorofila se derivan 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. Utilizando este conocimiento, los científicos pudieron utilizar proporciones de diferentes colores reflejados para estimar las concentraciones de clorofila.
Muchas fórmulas estiman 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, pasando del violeta (400 nm) al rojo (700 nm). Una fórmula típica utilizada para los datos 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 luego se conecta a un polinomio cúbico que relaciona la proporción de bandas con la clorofila. [3]
[4]
Esta fórmula, junto con otras, se derivó empíricamente utilizando concentraciones observadas de clorofila. 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 hacer coincidir 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 adaptaban mejor a la clorofila a nivel mundial. Varios 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 provocar imprecisiones. Los objetivos declarados de las estimaciones de clorofila de SeaWiFS son "... producir agua que deje resplandores con una incertidumbre del 5% en regiones de agua clara y concentraciones de clorofila a dentro de ±35% en el rango de 0,05 a 50 mg m-3". [2] Cuando la precisión se evalúa a escala global y todas las observaciones se agrupan, entonces este objetivo se cumple claramente. [5] Muchas estimaciones satelitales oscilan entre un tercio y 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. Es posible que un píxel no sea particularmente preciso, aunque cuando se toman promedios en 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 obtenidos por satélite superan con creces cualquier defecto 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 cobertura espacial proporcionadas por los datos satelitales.
La luz reflejada desde el océano subterráneo se llama radiación que sale del agua y se utiliza para estimar las concentraciones de clorofila. Sin embargo, sólo alrededor del 5 al 10% de la luz en la parte superior de la atmósfera proviene de la radiación que sale del agua. [6] [7] El resto de la luz se refleja en la atmósfera y en los aerosoles dentro de la atmósfera. Para estimar las concentraciones de clorofila se debe tener en cuenta esta radiación que no sale del agua. Parte de la luz reflejada por el océano, como las espumas blancas y los reflejos del sol, también debe eliminarse de los cálculos de clorofila, ya que son olas oceánicas representativas o el ángulo del sol en lugar del océano subterráneo. El proceso de eliminar estos componentes se llama corrección atmosférica. [8]
Una descripción de la luz o radiancia observada por el sensor del satélite se puede expresar más formalmente 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 moléculas de aire, La a (λ) es la dispersión por aerosoles en ausencia de aire, L ra (λ) son interacciones entre las moléculas de aire y los aerosoles, TL g (λ) son reflejos del brillo, t(L f (λ) son reflejos de la espuma y L W (λ)) son reflejos del subsuelo del agua, o el resplandor 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 los océanos desde el espacio, también recopiló muchos otros parámetros que están disponibles gratuitamente para el público con fines educativos y de investigación. Estos parámetros, además de la clorofila a, incluyen la reflectancia, el coeficiente de atenuación difusa, la concentración de partículas de carbono orgánico (POC), la concentración de partículas de carbono inorgánico (PIC), el índice de materia orgánica disuelta coloreada (CDOM), la radiación fotosintéticamente activa (PAR) y la línea de fluorescencia normalizada. altura (NFLH). Además, a pesar de estar diseñado para medir la clorofila del océano, SeaWiFS también estima el Índice de Vegetación de Diferencia Normalizada (NDVI), que es una medida de la fotosíntesis en la tierra.
Se puede acceder gratuitamente a los datos de SeaWiFS 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 según las selecciones de tiempo y área. El sitio web también permite la navegación en diferentes escalas temporales y espaciales con escalas espaciales que van desde 4 km a 9 km para 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 resultados no procesados hasta resultados modelados. [9] El nivel 0 son datos no procesados que normalmente no se proporcionan a los usuarios. Los datos del nivel 1 se reconstruyen pero no se procesan o se procesan mínimamente. Los datos de nivel 2 contienen variables geofísicas derivadas, aunque no están en una cuadrícula espacio/temporal uniforme. Los datos de nivel 3 contienen variables geofísicas derivadas agrupadas o asignadas a una cuadrícula uniforme. Por último, los datos del Nivel 4 contienen variables modeladas o derivadas, como la productividad primaria de los océanos.
Los científicos que pretenden crear cálculos de clorofila u otros parámetros que difieran de los proporcionados en el sitio web de OceanColor probablemente utilizarían datos de Nivel 1 o 2. Esto podría hacerse, por ejemplo, para calcular parámetros para una región específica del mundo, mientras que los productos de datos estándar SeaWiFS están diseñados para una precisión global con las compensaciones necesarias para regiones específicas. Los científicos que están más interesados en relacionar los resultados estándar de SeaWiFS con otros procesos comúnmente utilizarán datos de Nivel 3, particularmente si no tienen la capacidad, la capacitación o el interés en trabajar con datos de Nivel 1 o 2. Los datos del nivel 4 se pueden utilizar para investigaciones similares si está interesado en un producto modelado.
La NASA ofrece software gratuito diseñado específicamente para trabajar con datos SeaWiFS a través del sitio web de color del océano. Este software, titulado SeaDAS (Sistema de análisis de datos SeaWiFS), está diseñado para la visualización y el procesamiento de datos satelitales y puede funcionar con datos de nivel 1, 2 y 3. Aunque fue diseñado originalmente para datos SeaWiFS, desde entonces sus capacidades se han ampliado para funcionar con muchas otras fuentes de datos satelitales. También se pueden utilizar otros software o lenguajes de programación para leer y trabajar con datos SeaWiFS, como Matlab , IDL o Python .
Estimar 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 muy importante en la absorción del dióxido de carbono del mundo, uno de los principales contribuyentes al cambio climático . Un porcentaje de este fitoplancton se hunde en el fondo del océano, sacando efectivamente dióxido de carbono de la atmósfera y secuestrándolo en las profundidades del océano 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, estimar las concentraciones de clorofila en los océanos del mundo y su papel en la bomba biológica de los océanos 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 desde hace algún tiempo. [10] El grado en que el fitoplancton se relaciona con la producción de peces marinos depende del número de eslabones tróficos de la cadena alimentaria y de la eficiencia de cada eslabón. Las estimaciones del número de vínculos tróficos y de las eficiencias tróficas del fitoplancton a las pesquerías comerciales han sido ampliamente debatidas, aunque poco fundamentadas. [11] Investigaciones más recientes sugieren que las relaciones positivas entre la clorofila a y la producción pesquera pueden modelarse [12] y pueden estar altamente correlacionadas cuando se examinan en la escala adecuada. Por ejemplo, Ware y Thomson (2005) encontraron una r 2 de 0,87 entre el rendimiento de 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 en la distribución de la tortuga boba. [14]
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