De oceanen en atmosfeer van de aarde veranderen door de opwarming van de aarde. Sommige oceaanwateren worden groener naarmate er meer microscopische organismen tot bloei komen. In de atmosfeer beïnvloeden stofstormen die op het ene continent ontstaan de luchtkwaliteit van een ander continent, terwijl rook van grote bosbranden hele regio's dagenlang kan bedekken. NASA's nieuwste satelliet voor aardobservatie, genaamd PACE (Plankton, Aerosol, Cloud, Ocean Ecosystem), wordt in februari 2024 gelanceerd om ons te helpen de complexe systemen die deze en andere wereldwijde veranderingen door een opwarmend klimaat aandrijven, beter te begrijpen.
De oceaan verandert van kleur
De invloed van klimaatverandering op de oceaan is talrijk, van een stijging van de zeespiegel tot hittegolven op zee en een verlies aan biodiversiteit. Met PACE kunnen onderzoekers het effect op het zeeleven in zijn kleinste vorm bestuderen. Fytoplankton zijn microscopische, plantachtige organismen die aan het wateroppervlak zweven en het centrum vormen van het aquatische voedselweb, dat voedsel levert aan allerlei dieren, van schelpdieren tot vissen tot walvissen. Er zijn duizenden soorten fytoplankton, elk met verschillende niches in de oceaan.
Hoewel een enkel fytoplankton meestal niet met het blote oog kan worden gezien, kunnen gemeenschappen van triljoenen fytoplankton, bloei genoemd, vanuit de ruimte worden waargenomen. Bloei heeft vaak een groenige tint door de chlorofylmoleculen die fytoplankton, net als planten op het land, gebruikt om energie te maken door middel van fotosynthese. Volgens Ivona Cetinić, oceanograaf in het Ocean Ecology Lab bij NASA Goddard, reageert fytoplankton op veranderingen in hun omgeving. Verschillen in de temperatuur van de oceaan, voedingsstoffen of beschikbaarheid van zonlicht kunnen een soort doen opbloeien of instorten.
Vanuit de ruimte manifesteren deze veranderingen in fytoplanktonpopulaties zich als kleurverschillen, waardoor wetenschappers de overvloed en diversiteit van fytoplankton van veraf en op wereldschaal kunnen bestuderen. En wetenschappers hebben onlangs ontdekt dat de oceaan een beetje groener wordt. In een onderzoek dat in 2023 werd gepubliceerd, gebruikten onderzoekers chlorofylconcentratiegegevens die gedurende meer dan 20 jaar waren verzameld door de Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) op NASA's Aqua-satelliet om niet alleen te bepalen wanneer en waar fytoplanktonbloei optrad, maar ook hoe gezond en overvloedig deze was.
Het Ocean Color Instrument (OCI) van PACE, een hyperspectrale sensor, zal de mariene wetenschap een stap verder brengen door onderzoekers in staat te stellen om op afstand fytoplankton te onderscheiden naar soort. (In het verleden konden soorten alleen worden bepaald door directe bemonstering van het water). Elke gemeenschap heeft zijn eigen kleursignatuur die een instrument als OCI kan identificeren.
Het identificeren van fytoplanktontypes is belangrijk omdat verschillende soorten fytoplankton zeer verschillende rollen spelen in aquatische ecosystemen. Ze hebben nuttige functies, zoals het voeden van de voedselketen of het onttrekken van kooldioxide uit de atmosfeer voor fotosynthese. Sommige fytoplanktonpopulaties leggen koolstof vast als ze afsterven en naar de diepe oceaan zinken; andere geven het gas weer af aan de atmosfeer als ze aan het oppervlak vergaan.
Maar sommige, zoals die in schadelijke algenbloei, kunnen een negatieve invloed hebben op mensen en aquatische ecosystemen. En de aanwezigheid van schadelijke algen kan ons ook iets vertellen over de kwaliteit van de waterbronnen, zoals de aanwezigheid van te veel voedingsstoffen door menselijke activiteiten. Door deze gemeenschappen in de oceaan in kaart te brengen, kunnen wetenschappers informatie verzamelen over hoe en waar fytoplankton wordt beïnvloed door klimaatverandering en hoe veranderingen in deze kleine organismen andere wezens en ecosystemen in de oceaan kunnen beïnvloeden.
Deeltjes in de lucht voeden fytoplankton in zee
Naast hun rol als het gras van de zee, speelt fytoplankton ook een rol in een complexe dans tussen atmosfeer en oceaan. En PACE zal beide partners in deze dans zien. Vanuit de ruimte, met elke twee dagen zicht op de hele planeet, zal PACE zowel microscopische organismen in de oceaan als microscopische deeltjes in de atmosfeer, aerosolen genaamd, volgen. Hoe deze twee op elkaar inwerken zal wetenschappers extra inzicht geven in de gevolgen van een veranderend klimaat. Terwijl het kleurdetectie-instrument van PACE veranderingen in fytoplankton zal waarnemen, draagt de satelliet ook twee instrumenten aan boord die polarimeters worden genoemd - SPEXone en HARP2 - die de eigenschappen van licht (polarisatie) gebruiken om aërosoldeeltjes en wolken waar te nemen. Wetenschappers zullen de grootte, samenstelling en overvloed van deze microscopische deeltjes in onze atmosfeer kunnen meten.
Wanneer bijvoorbeeld aërosoldeeltjes uit de atmosfeer neerslaan op de oceaan, kunnen ze essentiële voedingsstoffen leveren voor een bloei van fytoplankton. De wind voert soms as en stof van bosbranden en stofstormen over de oceaan. Wanneer deze deeltjes in het water vallen, kunnen ze als meststof fungeren en voedingsstoffen zoals ijzer leveren waardoor fytoplanktonpopulaties kunnen groeien.
Rook, vervuilende stoffen en stof zaaien ook in de wolken
Nieuwe gegevens van PACE over de karakterisering van atmosferische deeltjes zullen wetenschappers in staat stellen om een van de lastigst te modelleren componenten van klimaatverandering te onderzoeken: hoe wolken en aërosolen op elkaar inwerken.
Wolken worden gevormd wanneer water condenseert op zwevende deeltjes zoals rook en as. Een gemakkelijk te herkennen voorbeeld zijn scheepssporen, die ontstaan wanneer waterdamp condenseert en heldere, laagliggende wolken vormt op vervuilende stoffen die door schepen worden uitgestoten. Verschillende soorten aerosolen beïnvloeden ook de kenmerken van wolken, zoals hun helderheid, die wordt bepaald door de grootte en het aantal wolkendruppels. Deze eigenschappen kunnen leiden tot verschillende effecten - opwarming of afkoeling - op het aardoppervlak.
Een heldere wolk of pluim van aerosoldeeltjes die laag boven een veel donkerdere oceaan zweeft, reflecteert bijvoorbeeld meer licht terug de ruimte in, wat een plaatselijk koelend effect veroorzaakt. Andere keren hebben zowel wolken als aerosolen een opwarmend effect dat 'blanketing' wordt genoemd. Dunne pluimen hoog in de atmosfeer absorberen warmte van het aardoppervlak en stralen die vervolgens weer uit naar de grond. "Vanuit een klimaatperspectief is de relatie tussen aërosolen en wolken een van de grootste bronnen van onzekerheid in ons begrip van het klimaat," zegt Kirk Knobelspiesse, polarimetrieverantwoordelijke voor de PACE-missie bij NASA Goddard. De nieuwe inzichten van de satelliet in aerosoldeeltjes zullen wetenschappers helpen om hiaten in onze kennis op te vullen en ons begrip van die relatie te verdiepen.
Bron: NASA
