Perché ci sono così tante canzoni sugli arcobaleni? Per il prossimo plancton della NASA, Aerosol, Nube, missione dell'ecosistema oceanico, o PACE, i colori dell'arcobaleno, o se preferisci, le lunghezze d'onda visibili dello spettro elettromagnetico sono la chiave per sbloccare una grande quantità di nuovi dati sui cieli e sui mari di tutto il mondo.

Gli strumenti ad alta risoluzione di PACE vedranno le caratteristiche dell'oceano e dell'atmosfera con dettagli senza precedenti quando la missione verrà lanciata nel 2023. Misurando l'intensità del colore che esce dalla superficie dell'oceano terrestre, PACE catturerà dettagli fini sul fitoplancton, piccoli organismi simili a piante e alghe che vivono nell'oceano, che sono alla base della rete trofica marina e generano metà dell'ossigeno terrestre. Le comunità benefiche di fitoplancton alimentano la pesca, ma le fioriture algali dannose (HAB) possono avvelenare animali e esseri umani e distruggere le industrie del turismo e della pesca.

Quando si tratta di "colore dell'oceano, " sia la lunghezza d'onda che l'intensità dei colori che escono dall'oceano sono importanti. Diverse specie di fitoplancton e altre sostanze in un corpo idrico assorbono e riflettono diversi colori della luce:l'acqua limpida dell'oceano aperto appare blu, l'acqua con molto fitoplancton appare spesso verde o turchese, e l'acqua vicino alla costa appare marrone a causa di sedimenti sospesi e materiale organico disciolto. PACE può vedere piccole variazioni in queste differenze di colore visibili in modo molto più dettagliato che mai.

Mentre PACE individua tutti i colori dell'arcobaleno sull'oceano e sull'atmosfera, fornirà agli scienziati nuove scoperte a ogni lunghezza d'onda.

Ultravioletto e Viola

Le lunghezze d'onda ultraviolette (che sono invisibili all'occhio umano) e le lunghezze d'onda viola (che sono visibili) aiutano gli scienziati a conoscere gli aerosol:particelle nell'atmosfera che possono essere organiche o inorganiche, solido o liquido, che vanno da polvere e fuliggine a sale marino e goccioline chimiche. Queste lunghezze d'onda aiutano a rivelare se gli aerosol misurati sono naturali o provengono da attività umane.

Le lunghezze d'onda ultraviolette e viola aiuteranno anche gli scienziati a studiare le particelle disciolte nell'oceano, in particolare, distinguere tra clorofilla (un pigmento verde presente in tutto il fitoplancton) e altri materiali organici. Conoscere la differenza è importante per studiare quanto carbonio si deposita e viene immagazzinato nelle profondità dell'oceano.

"Non tutto il plancton fa la stessa cosa quando si tratta di carbonio, " ha detto Ivona Cetinic, un oceanografo presso il Goddard Space Flight Center (GSFC) della NASA e responsabile scientifico del progetto PACE per la biogeochimica. "Alcuni sono produttori migliori, alcuni sono migliori sequestratori che riducono l'anidride carbonica. Una volta che il carbonio entra nel plancton, quello che succede in seguito dipende dal tipo di plancton. Se è piccolissimo, c'è una grande possibilità che venga mangiato da uno zooplancton:sono vacche piccolissime, no? – che verrà mangiato da uno più grande, e così via. Se queste reazioni avvengono vicino alla superficie, il carbonio ritorna nell'atmosfera. Se lo zooplancton fa la cacca, il carbonio scende nelle profondità dell'oceano."

Blu

Le lunghezze d'onda blu aiutano i ricercatori a distinguere tra le specie di fitoplancton. Dalle diatomee ai dinoflagellati, ogni specie di fitoplancton ha una propria identità:diverse funzioni all'interno dell'ecosistema, diverse esigenze nutrizionali (e contenuto, per i predatori!), e soprattutto per l'Ocean Color Instrument (OCI), diverse lunghezze d'onda della luce che assorbono e diffondono. I colori nella gamma blu dello spettro consentiranno agli scienziati di vedere la composizione delle comunità di fitoplancton.

"Se stai guardando un prato, tutto sembra verde ai tuoi occhi, ma vuoi conoscere tutti i giocatori in quell'ecosistema, " ha detto Cetinić. "È raro trovare un solo tipo di plancton in una comunità; è molto più probabile che lavoreranno insieme. Costituiscono una rete alimentare microbica. PACE ci permetterà di risolvere, non solo una o due specie, ma tutta la comunità».

Monitorare la composizione e la salute della comunità di fitoplancton non è importante solo per comprendere l'oceano ora, ma anche per prevedere come potrebbe cambiare in futuro.

Verde

Le lunghezze d'onda verdi sono spesso utilizzate come riferimento per la quantità totale di particelle nell'aria. Questi sono combinati con lunghezze d'onda più corte e più lunghe per determinare ulteriormente la dimensione di queste particelle. Le dimensioni sono un fattore importante per aiutare gli scienziati a sapere cosa stanno guardando. Gli aerosol naturali come la polvere o il sale marino tendono ad avere particelle più grandi di quelle prodotte dall'uomo come fuliggine o fumo, quindi la dimensione delle particelle aiuta a identificare le fonti di aerosol.

"Ci sono diversi motivi per cui è importante comprendere meglio gli aerosol, "ha detto Andrew Sayer, uno scienziato atmosferico presso la NASA GSFC e il responsabile scientifico del progetto PACE per le atmosfere. "Un motivo sono le previsioni più utili sulla qualità dell'aria. Un altro è legato al clima:l'effetto di raffreddamento o riscaldamento che gli aerosol hanno sul clima, il modo in cui interagiscono con i cloud e influiscono sulla durata del cloud, dipende dalla distribuzione verticale di tutte queste caratteristiche. Saremo in grado di monitorarlo meglio dallo spazio. I dati satellitari possono essere utilizzati per interrogare più a fondo i modelli climatici e migliorarli".

Allo stesso modo, diverse specie di fitoplancton hanno dimensioni diverse, quindi questa variabile aiuta a identificare chi è chi in una comunità di plancton.

Giallo e arancione

Le lunghezze d'onda gialle e arancioni dell'OCI aiutano gli scienziati a monitorare la salute e la fisiologia del fitoplancton. Gli scienziati possono determinare quanto sia sana una comunità di fitoplancton osservando la velocità di crescita del fitoplancton, quanto è efficiente la loro fotosintesi e di che colore sono:tutte informazioni che possono raccogliere con lunghezze d'onda gialle e arancioni.

Comprendere la salute del fitoplancton può aiutare a prevedere le fioriture algali dannose, o HAB. Quando le sostanze della terra si riversano nell'oceano, a volte diventano una festa per le alghe, permettendo loro di mangiare, crescere e moltiplicarsi rapidamente. Gli HAB possono generare tossine dannose che ammalano la fauna marina e gli esseri umani e riducono l'ossigeno nell'acqua poiché i batteri si nutrono di numerose alghe morte.

"Le fioriture algali dannose non sono recenti. Abbiamo scritti di tribù indigene nel nord-ovest del Pacifico che parlano di cose che accadono sulla spiaggia, " ha detto Cetinić. "È solo che oggi lo stiamo cercando di più, e anche le influenze antropiche stanno rendendo le fioriture più diffuse".

Mentre i minerali naturali possono correre nell'oceano e nutrire le alghe, sostanze chimiche prodotte dall'uomo:fertilizzanti per il prato, prodotti chimici per il trattamento delle acque reflue e prodotti chimici per l'agricoltura, per esempio, sono un colpevole molto più grande.

"Quando un ecosistema è in equilibrio, non è mai statico. Una cosa è dominante, poi si ribalta, " ha detto Cetinić. "Ma quando un ecosistema è spinto fuori dal suo ritmo, una cosa diventa dominante. Durante una dannosa fioritura algale, solo una specie ha la capacità di crescere molto velocemente, e prende il sopravvento".

Rosso e vicino infrarosso

Le lunghezze d'onda del rosso e del vicino infrarosso danno al team uno sguardo su una diversa porzione dell'oceano:aree costiere, con acque alimentate da fiumi e fondali meno profondi con sedimenti che possono essere sospesi dopo un temporale, sono spesso colorati in modo molto diverso rispetto all'oceano aperto. Le variazioni nei colori riflessi dalle aree costiere non solo forniscono agli scienziati indizi sulla salute degli organismi che vivono lì, che li aiuta anche a prepararsi per gli HAB costieri, ma informano anche sui deflussi dai sistemi fluviali e sulla dinamica dei bacini idrografici.

"Con PACE, possiamo vedere le prime fasi di sviluppo delle fioriture e dire di che specie si tratta, " ha affermato Cetinić. Gli allarmi precoci consentono alle aziende nelle zone costiere di prepararsi agli impatti dell'HAB, come non raccogliere o vendere pesce che consuma le alghe tossiche, preparare gli uffici veterinari per l'afflusso di animali malati, aerare l'acqua per evitare che le creature che vivono sul fondo soffrano di mancanza di ossigeno, e avvertendo i consumatori di non mangiare sardine o ostriche, lei ha aggiunto.

"Molti di questi tipi di sistemi e misure di allerta precoce sono già in atto in queste zone costiere, quindi aggiungeremo i nostri dati ai loro sistemi, " Ha detto Cetinić. "Le prime informazioni fanno sempre risparmiare denaro per le economie locali".

Infrarossi a onde corte

Appena al di fuori della gamma della luce visibile ci sono le lunghezze d'onda dell'infrarosso a onde corte (SWIR), che hanno una serie di usi sia per l'atmosfera che per l'oceano.

Le lunghezze d'onda SWIR aiutano gli scienziati a determinare quanto sia limpida l'atmosfera sull'oceano, che è importante per i calcoli delle proprietà oceaniche in superficie. Aiuta anche con calcoli simili per l'atmosfera sulla costa, che aiuta con studi di nuvole e biologia costiera.

"Le nuvole riflettono la luce del sole, intrappolano il calore e la luce, " Sayer ha detto. "Abbiamo bisogno di una comprensione molto accurata della loro luminosità e posizione fisica".

Monitorando anche quanta luce solare viene bloccata dagli aerosol, l'OCI aiuterà gli scienziati a colmare un'importante lacuna nella modellazione, disse Sayer. Le nuvole e gli aerosol interagiscono tra loro nell'atmosfera, ma gli scienziati hanno bisogno di maggiori informazioni su come e dove.

"Ci sono alcune caratteristiche dell'aerosol che si ripetono stagionalmente in cui spesso si ottengono aerosol sopra le nuvole, " ha detto. "Per esempio, nell'Atlantico sudorientale, c'è molta biomassa agricola che brucia nell'Africa centrale e meridionale, che raggiunge il picco da agosto a ottobre. Molto di questo si scarica sull'oceano, dove c'è un ponte di nuvole basso. È simile nel sud-est asiatico. Questi aerosol rendono più difficile determinare con precisione le proprietà delle nuvole".

Nello stesso modo, le nuvole rendono più difficile studiare gli aerosol, Egli ha detto.

"Se sei un modellista climatico che cerca di modellare il trasporto di aerosol in tutto il mondo, ci sono vaste aree del mondo in cui ottieni quantità limitate di dati utili, " ha spiegato. "Con l'OCI, avere più bande spettrali aiuterà davvero a colmare alcune di queste lacune. Avere uno strumento iperspettrale che va nella gamma dell'ultravioletto renderà molto più facile quantificare questi aerosol, soprattutto in combinazione con i polarimetri."