SeaWiFS

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 sus objetivos se han continuado con otros proyectos, como Terra MODIS , Aqua MODIS , Sentinel-3 y la misión PACE .

SeaWiFS fue el único instrumento científico a bordo del satélite OrbView-2 (también conocido como SeaStar) de GeoEye , y fue un experimento sucesor 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 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 con creces su período operativo previsto 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 características oceánicas como la concentración de clorofila-a y la claridad del agua. Podía inclinarse hasta 20 grados para evitar la luz solar reflejada en la superficie del mar. Esta característica es importante en latitudes ecuatoriales, donde el reflejo del sol suele ocultar el color del agua. SeaWiFS utilizó 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 Vuelo Espacial 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 general, cuanto más verde es el agua, mayor es la cantidad de fitoplancton y, por lo tanto, mayor es la concentración de clorofila. La clorofila a absorbe más luz azul y roja que verde, y la luz reflejada resultante cambia de azul a verde a medida que aumenta la cantidad de clorofila en el agua. Gracias a 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 conocidas de clorofila de 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, 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 a una proporción de dos longitudes de onda verdes diferentes para la otra combinación posible.

La reflectancia (R) que devuelve esta fórmula se introduce luego en un polinomio cúbico que relaciona la relación de bandas con la clorofila. ^{[ 3 ]}

${\displaystyle Chl=antilog(0.366-3.067{\mathsf {R}}+1.93{\mathsf {R}}^{2}+0.64{\mathsf {R}}^{3}-1.53{\mathsf {R}}^{4})}$^{[ 4 ]}

Esta fórmula, junto con otras, se derivó empíricamente a partir de concentraciones de clorofila observadas. Para facilitar estas comparaciones, la NASA mantiene un sistema de datos oceanográficos y atmosféricos llamado SeaBASS (Sistema de Archivo y Almacenamiento Bioóptico SeaWiFS). Este archivo de datos se utiliza para desarrollar nuevos algoritmos y validar productos de datos satelitales, comparando las concentraciones de clorofila medidas directamente con las estimadas remotamente desde un satélite. Estos datos también pueden utilizarse para evaluar la corrección atmosférica (que se describe más adelante), la cual puede influir significativamente en los cálculos de concentración de clorofila.

Se probaron numerosos algoritmos de clorofila para determinar cuáles se ajustaban mejor a la clorofila a nivel global. Varios algoritmos se comportan de manera diferente en distintos 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 oceánico puede causar imprecisiones. Los objetivos declarados de las estimaciones de clorofila de SeaWiFS son "...producir radiancias de salida del 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, 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 al examinar por región, aunque en general los valores siguen siendo muy útiles. Aunque un solo píxel puede no ser del todo preciso, al promediar los valores en áreas más extensas, estos se compensan y ofrecen una visión útil y precisa de los patrones generales. Las ventajas de los datos de clorofila obtenidos por satélite superan con creces cualquier posible imprecisión, gracias a la amplia cobertura espacial y temporal que proporcionan. Las mediciones de clorofila realizadas desde barcos no se acercan ni de lejos a la frecuencia y la cobertura espacial que ofrecen los datos satelitales.

La luz reflejada desde el océano subsuperficial se denomina radiancia emergente del 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 emergente del agua. ^{[ 6 ] [ 7 ]} El resto de la luz se refleja en la atmósfera y en los aerosoles presentes en ella. Para estimar las concentraciones de clorofila, es necesario tener en cuenta esta radiancia no emergente del agua. Parte de la luz reflejada por el océano, como la de las crestas blancas y el reflejo del sol, también debe eliminarse de los cálculos de clorofila, ya que representa las olas del océano o el ángulo del sol en lugar del océano subsuperficial. El proceso de eliminación de estos componentes se denomina corrección atmosférica. ^{[ 8 ]}

La 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:

${\displaystyle L_{T}(\lambda )=L_{r}(\lambda )+L_{a}(\lambda )+L_{ra}(\lambda )+TL_{g}(\lambda )+t(L_{f}(\lambda )+L_{W}(\lambda ))}$

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, L _a (λ) es la dispersión por aerosoles en ausencia de aire, L _ra (λ) son las interacciones entre moléculas de aire y aerosoles, TL _g (λ) son las reflexiones del brillo, t(L _f (λ) son las reflexiones de la espuma, y ​​L _W (λ)) son las reflexiones de la subsuperficie 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 se diseñó principalmente para monitorizar las concentraciones de clorofila a oceánica 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 línea de fluorescencia normalizada (NFLH). Además, a pesar de estar diseñado para medir la clorofila oceánica, SeaWiFS también estima 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 diversos sitios web, la mayoría de ellos administrados por el gobierno. La principal fuente de datos de SeaWiFS es el sitio web OceanColor de la NASA.Este sitio web mantiene la serie temporal de toda la misión SeaWiFS. Permite a los usuarios explorar imágenes individuales de SeaWiFS según la hora y el área seleccionadas. También permite explorar diferentes escalas temporales y espaciales, con escalas espaciales que van desde 4  km hasta 9  km para los datos cartografiados. Los datos se proporcionan en numerosas escalas temporales, incluyendo imágenes diarias, de varios días (p. ej., 3, 8), mensuales y estacionales, hasta llegar a composiciones de toda la misión. Los datos también están disponibles mediante 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 salida sin procesar hasta salida modelada. ^{[ 9 ]} El nivel 0 son datos sin procesar que normalmente no se proporcionan a los usuarios. Los datos de nivel 1 son reconstruidos pero no procesados ​​o mínimamente procesados. 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 mapeadas a una cuadrícula uniforme. Por último, los datos de nivel 4 contienen variables modeladas o derivadas como la productividad primaria oceánica .

Los científicos que deseen realizar cálculos de clorofila u otros parámetros diferentes a los proporcionados en el sitio web OceanColor probablemente utilizarán datos de Nivel 1 o 2. Esto podría hacerse, por ejemplo, para calcular parámetros para una región específica del planeta, mientras que los productos de datos estándar de SeaWiFS están diseñados para una precisión global, con las consiguientes limitaciones para regiones específicas. Los científicos más interesados ​​en relacionar los resultados estándar de SeaWiFS con otros procesos suelen utilizar datos de Nivel 3, especialmente si no tienen la capacidad, la formación o el interés para trabajar con datos de Nivel 1 o 2. Los datos de Nivel 4 pueden utilizarse para investigaciones similares si se busca un producto modelado.

La NASA ofrece software gratuito diseñado específicamente para trabajar con datos SeaWiFS a través de su sitio web de color del océano . Este software, llamado SeaDAS (Sistema de Análisis de Datos SeaWiFS), está diseñado para la visualización y el procesamiento de datos satelitales y puede trabajar con datos de nivel 1, 2 y 3. Si bien fue diseñado originalmente para datos SeaWiFS, sus capacidades se han ampliado para trabajar con muchas otras fuentes de datos satelitales. También se pueden usar otros programas 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 importantes implicaciones para el cambio climático y la producción pesquera. El fitoplancton desempeña un papel fundamental en la absorción del dióxido de carbono mundial, uno de los principales causantes del cambio climático . Un porcentaje de este fitoplancton se hunde hasta el fondo oceánico, extrayendo dióxido de carbono de la atmósfera y almacenándolo en las profundidades del océano durante al menos mil años. Por lo tanto, el grado de producción primaria oceánica podría influir significativamente en la ralentización del cambio climático. O, si la producción primaria disminuye, 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. Independientemente de si se llevan a cabo estos experimentos o no, estimar las concentraciones de clorofila en los océanos del mundo y su papel en la bomba biológica oceánica podría ser clave para 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 en la cadena alimentaria y de la eficiencia de cada eslabón. Las estimaciones del número de eslabones tróficos y las eficiencias tróficas desde el fitoplancton hasta la pesca comercial han sido ampliamente debatidas, aunque han sido 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 muy 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 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 ]}

• Cracknell, AP; Newcombe, SK; Black, AF; Kirby, NE (2001). "La acción concertada ABDMAP (detección, monitoreo y predicción de floraciones de algas)". Revista Internacional de Teledetección . 22 ( 2– 3): 205– 247. Bibcode : 2001IJRS...22..205C . doi : 10.1080/014311601449916 . S2CID 140603142 . 

• Página principal del proyecto SeaWiFS
• Sitio web de OceanColor