Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Algenbeobachtung per Satellit

19.03.2020

Giftige Algenblüten können erkannt werden

Mit einem neuen Algorithmus können Forscherinnen und Forscher des AWI jetzt aus Satellitendaten herauslesen, in welchen Meeresgebieten bestimmte Gruppen von Algen vorherrschen.


Sentinel 3A Satellit im Orbit

Foto: ESA / ATG Medialab


Zehnjahresmittelwert (Juli 2002-April 2012) der PFT-Chlorophyll-a-Konzentration für (A) Kieselalgen, (B) Dinoflagellaten, (C) Haptophyten und (D) Grünalgen, die mit einem EOF-basierten Algorithmus aus CMEMS-gefassten monatlichen Rrs-Produkten (Remote Sensing Reflectance) mit neun Banden ermittelt wurden. Ein mikroskopisches Foto der repräsentativen Arten für jede Phytoplanktongruppe ist ebenfalls oben rechts auf jeder Karte zu sehen.

Grafik: Alfred-Wegener-Institut, Hongyan Xi

Auch lassen sich giftige Algenblüten erkennen und die Folgen der Erderwärmung für das Meeresplankton bewerten. Damit können sie weltweit auf die Wasserqualität schließen und die Folgen für die Fischerei abschätzen.

Die winzigen Algen in den Ozeanen sind enorm produktiv. Sie bilden die Hälfte des Sauerstoffs, den wir atmen. Wie die Pflanzen an Land erzeugen sie mithilfe der Photosynthese energiereichen Zucker, von dem sie sich ernähren.

Sie wachsen, teilen sich und bilden insgesamt gigantische Mengen an Biomasse, die die Basis allen Lebens im Meer ist. Von diesen Algen, dem sogenannten Phytoplankton, ernähren sich Kleinkrebse, Fisch- und Muschellarven, die ihrerseits von größeren Fischen gefressen werden. Mangelt es an Phytoplankton, fehlt allen anderen Meeresorganismen die Lebensgrundlage.

Weltweit gibt es viele verschiedene Gruppen von Phytoplankton, die in den Meeresökosystemen unterschiedliche Rollen spielen. Manche werden von Tieren besonders gern gefressen. Andere binden im Wasser bestimmte chemische Verbindungen oder Nährstoffe, womit sie ihrerseits einen großen Einfluss auf das Leben im Meer haben.

Dann wieder gibt es Phytoplankton-Gruppen, die zu enormen Dichten heranwachsen können und auch giftige Substanzen bilden. Sind zu viele dieser Algen im Wasser, können Meerestiere, vor allem Fische, sterben. Das Phytoplankton im Meer spielt auch eine wichtige Rolle als CO2 Senke. Forscherinnen und Forscher interessieren sich daher sehr dafür, wie sich die Bestände der verschiedenen Phytoplankton-Gruppen weltweit entwickeln.

Mehr als Chlorophyll

Bislang aber war es kaum möglich, die Menge der verschiedenen Planktongruppen in den Meeren weltweit im Detail abzuschätzen. Zwar nehmen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler bereits seit Jahrzehnten von Forschungsschiffen aus Wasserproben, um das Plankton zu bestimmen und zu zählen. Doch damit sind nur Stichproben möglich. Und selbst Satelliten, die seit rund 30 Jahren mit Sensoren die Ozeane abscannen, waren bislang keine perfekte Lösung.

Denn bisher konnte man mithilfe der Satellitendaten sehr wohl die Menge des Pflanzenfarbstoffs Chlorophyll im Wasser messen – als ein Maß dafür, wie hoch die Konzentration von Algen im Wasser allgemein ist. Eine Differenzierung nach verschiedenen Algentypen war bislang aber schwierig. Zudem war es unmöglich, die Satellitendaten für eine Vorhersage des Algenwachstums in Meeresregionen zu nutzen.

Jetzt aber ist es einem internationalen Team um Hongyan Xi und Astrid Bracher vom Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) erstmals gelungen, mehr aus den Satellitendaten herauszuholen:

Wie sie jetzt im Fachjournal Remote Sensing of Environment schreiben, haben sie in Zusammenarbeit mit der französischen Firma ACRI-ST und mit Unterstützung durch den europäischen Satellitendaten-Dienst Copernicus Marine Environment Monitoring Service einen neuen Algorithmus entwickelt, der aus den Daten die Information für fünf verschiedene bedeutende Phytoplankton-Gruppen herauslesen kann.

Reflektanz als Messgröße

Die Sensoren der Satelliten nehmen Licht verschiedener Wellenlängen wahr. Normalerweise verwendet man jene Wellenlängen, die die Farbe des Chlorophylls ausmachen. Hongyan Xi und ihre Kollegen aber nutzen die Wellenlängen-Information der Satelliten jetzt noch besser aus.

Im Detail geht es um die Analyse der sogenannten Reflektanz, auch Reflexionsgrad genannt. Sie ist ein Maß dafür, wie viel des Sonnenlichtes, das auf die Erde trifft, ins All zurückgeworfen wird. Dieses reflektierte Licht ist das Ergebnis aus verschiedenen optischen Prozessen: Es wird von Wassermolekülen und Partikeln im Meer und in der Atmosphäre gestreut, gebeugt und verändert.

„Und auch das Plankton, das ja bestimmte farbige Pigmente enthält, beeinflusst die Reflektanz“, sagt Hongyan Xi. „Je nachdem, welche Algen und welche Pigmente im Wasser vorherrschen, ist die Reflektanz anders.“ Tatsächlich prägt jede der fünf verschiedenen Plankton-Gruppen dem reflektierten Licht quasi seinen eigenen Fingerabdruck auf. Der neu entwickelte Algorithmus ist in der Lage, diesen zu erkennen.

Aufwendiger Vergleich von Schiffs- und Satellitendaten

Diesem Erfolg ist eine enorme Fleißarbeit vorausgegangen. Denn zunächst musste das Team herausfinden, welches Reflektanzmuster für welche Algengruppe typisch ist. Die Forscher mussten dazu Satellitenmessungen mit Planktonproben kombinieren, die zur selben Zeit am selben Ort vom Schiff aus genommen worden waren.

Glücklicherweise gibt es heute öffentlich zugängliche Datenbanken, in denen die Ergebnisse vieler Schiffsexpeditionen gespeichert sind. Die Archive verraten, an welchem Ort und zu welcher Zeit Wasserproben genommen wurden und welche Algenarten und -gruppen darin enthalten waren.

Hongyan Xi und ihre Kollegen werteten rund 12.000 solcher Algendatensätze aus – und setzten jeden einzelnen in Beziehung zu Satellitenmessungen, die zur selben Zeit vom selben Ort gemacht worden waren. Damit konnten sie nachvollziehen, wie sich die Reflektanz bei bestimmten Algen veränderte.

Wasserqualität und giftige Algenblüten

Mit diesem Wissen war es dann möglich, den Algorithmus zu entwickeln. Dieser ist jetzt in der Lage, aus der Reflektanz-Information aus einem beliebigen Meeresgebiet weltweit auf die dort vorherrschenden Algengruppen zu schließen. Diese Information ist beispielsweise wichtig, um weiträumige Blüten giftiger Algen zu erkennen, sogenannte „Harmful algal blooms“ (HABs).

Auch sagt die Anwesenheit bestimmter Algen etwas über die Wasserqualität aus; Informationen, die für die Fischerei von Bedeutung sind. „Außerdem können wir künftig erkennen, ob sich die Verteilung des Phytoplanktons mit dem Klimawandel verändert“, sagt Hongyan Xi. „Das ist wichtig, um die Folgen für die Ökosysteme abzuschätzen.“

Die Studie ist unter folgendem Titel im Fachmagazin Remote Sensing of Environment erschienen:

Hongyan Xi, Svetlana N. Losa, Antoine Mangin, Mariana A. Soppa, Philippe Garnesson, Julien Demaria, Yangyang Liu, Odile Hembise Fantond, Astrid Bracher: Global retrieval of phytoplankton functional types based on empirical orthogonal functions using CMEMS GlobColour merged products and further extension to OLCI data, 2020, DOI: 10.1016/j.rse.2020.111704

Hinweise für Redaktionen

Ihre wissenschaftlichen Ansprechpartnerinnen am Alfred-Wegener-Institut sind:

- Hongyan Xi, Tel. 0471 4831 2803 (E-Mail: hongyan.xi(at)awi.de) steht für Interviews in englischer Sprache zur Verfügung

- Astrid Bracher, Tel. 0471 4831 1128 (E-Mail: astrid.bracher(at)awi.de) steht für Interviews in deutscher und englischer Sprache zur Verfügung

Ihre Ansprechpartnerin in der Pressestelle des Alfred-Wegener-Instituts ist Ulrike Windhövel, Tel. 0471 4831-2008 (E-Mail: Ulrike.Windhoevel(at)awi.de).

Druckbare Bilder finden Sie in der Online-Version dieser Pressemitteilung: https://www.awi.de/ueber-uns/service/presse.html

Das Alfred-Wegener-Institut, Helmholtz-Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) forscht in der Arktis, Antarktis und den Ozeanen der gemäßigten sowie hohen Breiten. Es koordiniert die Polarforschung in Deutschland und stellt wichtige Infrastruktur wie den Forschungseisbrecher Polarstern und Stationen in der Arktis und Antarktis für die internationale Wissenschaft zur Verfügung. Das Alfred-Wegener-Institut ist eines der 19 Forschungszentren der Helmholtz-Gemeinschaft, der größten Wissenschaftsorganisation Deutschlands.

Originalpublikation:

https://doi.org/10.1016/j.rse.2020.111704

Ralf Röchert | idw - Informationsdienst Wissenschaft
Weitere Informationen:
https://www.awi.de/ueber-uns/service/presse-detailansicht/presse/algenbeobachtung-per-satellit.html

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Biowissenschaften Chemie:

nachricht CeMM Studie gibt Einblick in die Funktionsweise eines wichtigen Genregulators
01.06.2020 | CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften

nachricht Wie sich Nervenzellen zum Abruf einer Erinnerung gezielt reaktivieren lassen
29.05.2020 | Universität Heidelberg

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Biowissenschaften Chemie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Neuartiges Covid-19-Schnelltestverfahren auf Basis innovativer DNA-Polymerasen entwickelt

Eine Forschungskooperation der Universität Konstanz unter Federführung von Professor Dr. Christof Hauck (Fachbereich Biologie) mit Beteiligung des Klinikum Konstanz, eines Konstanzer Diagnostiklabors und des Konstanzer Unternehmens myPOLS Biotec, einer Ausgründung aus der Arbeitsgruppe für Organische Chemie / Zelluläre Chemie der Universität Konstanz, hat ein neuartiges Covid-19-Schnelltestverfahren entwickelt. Dieser Test ermöglicht es, Ergebnisse in der Hälfte der Zeit zu ermitteln – im Vergleich zur klassischen Polymerase-Ketten-Reaktion (PCR).

Die frühe Identifikation von Patienten, die mit dem neuartigen Coronavirus (SARS-CoV-2) infiziert sind, ist zentrale Voraussetzung bei der globalen Bewältigung...

Im Focus: Textilherstellung für Weltraumantennen startet in die Industrialisierungsphase

Im Rahmen des EU-Projekts LEA (Large European Antenna) hat das Fraunhofer-Anwendungszentrum für Textile Faserkeramiken TFK in Münchberg gemeinsam mit den Unternehmen HPS GmbH und Iprotex GmbH & Co. KG ein reflektierendes Metallnetz für Weltraumantennen entwickelt, das ab August 2020 in die Produktion gehen wird.

Beim Stichwort Raumfahrt werden zunächst Assoziationen zu Forschungen auf Mond und Mars sowie zur Beobachtung ferner Galaxien geweckt. Für unseren Alltag sind...

Im Focus: Biotechnologie: Enzym setzt durch Licht neuartige Reaktion in Gang

In lebenden Zellen treiben Enzyme biochemische Stoffwechselprozesse an. Auch in der Biotechnologie sind sie als Katalysatoren gefragt, um zum Beispiel chemische Produkte wie Arzneimittel herzustellen. Forscher haben nun ein Enzym identifiziert, das durch die Beleuchtung mit blauem Licht katalytisch aktiv wird und eine Reaktion in Gang setzt, die in der Enzymatik bisher unbekannt war. Die Studie ist in „Nature Communications“ erschienen.

Enzyme – in jeder lebenden Zelle sind sie die zentralen Antreiber für biochemische Stoffwechselprozesse und machen dort Reaktionen möglich. Genau diese...

Im Focus: Biotechnology: Triggered by light, a novel way to switch on an enzyme

In living cells, enzymes drive biochemical metabolic processes enabling reactions to take place efficiently. It is this very ability which allows them to be used as catalysts in biotechnology, for example to create chemical products such as pharmaceutics. Researchers now identified an enzyme that, when illuminated with blue light, becomes catalytically active and initiates a reaction that was previously unknown in enzymatics. The study was published in "Nature Communications".

Enzymes: they are the central drivers for biochemical metabolic processes in every living cell, enabling reactions to take place efficiently. It is this very...

Im Focus: Innovative Sensornetze aus Satelliten

In Würzburg werden vier Kleinst-Satelliten auf ihren Start vorbereitet. Sie sollen sich in einer Formation bewegen und weltweit erstmals ihre dreidimensionale Anordnung im Orbit selbstständig kontrollieren.

Wenn ein Gegenstand wie der Planet Erde komplett ohne tote Winkel erfasst werden soll, muss man ihn aus verschiedenen Richtungen ansehen und die...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Gebäudewärme mit "grünem" Wasserstoff oder "grünem" Strom?

26.05.2020 | Veranstaltungen

Dresden Nexus Conference 2020 - Gleicher Termin, virtuelles Format, Anmeldung geöffnet

19.05.2020 | Veranstaltungen

Urban Transport Conference 2020 in digitaler Form

18.05.2020 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Wie sich Nervenzellen zum Abruf einer Erinnerung gezielt reaktivieren lassen

29.05.2020 | Biowissenschaften Chemie

Wald im Wandel

29.05.2020 | Agrar- Forstwissenschaften

Schwarzer Stickstoff: Bayreuther Forscher entdecken neues Hochdruck-Material und lösen ein Rätsel des Periodensystems

29.05.2020 | Materialwissenschaften

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics