Обзор: лидар HSRL на двух спутниках измеряет слои планктона под поверхностью океана

Обзор в журнале The Innovation, о котором сообщает eurekalert.org, утверждает, что лидар высокого спектрального разрешения (HSRL) на двух спутниках превратил подповерхностный слой планктона из предположения в измеряемую величину eurekalert.orgeurekalert.orgeurekalert.orgОткрыть источник ↗. Пассивные сенсоры цвета океана, такие как MODIS и PACE, видят лишь тонкий поверхностный слой, тогда как основная часть планктона и значительная доля переносимого им вниз углерода находятся глубже в освещённой зоне.

От CALIOP к проблеме обратной задачи

CALIOP, запущенный в 2006 году для изучения облаков, обнаружил подповерхностные слои планктона по всему миру и показал, что полярное цветение начинается в сезоне раньше, чем считалось. Как упругий лидар, он имел математическое ограничение. Его сигнал зависит сразу от двух неизвестных: насколько сильно частицы рассеивают свет назад и как быстро вода его ослабляет. Одно измерение не определяет две величины, поэтому при восстановлении использовали заранее принятые соотношения.

ICESat-2, запущенный в 2018 году, добавил счёт фотонов и вертикальное разрешение 0,3 м. Он разрешил тонкую структуру внутри слоёв планктона и в сочетании с данными о цвете океана дал первые спутниковые профили хлорофилла, но проблему не снял.

Как HSRL разделяет две неизвестные

В HSRL рассеяние на частицах почти не сдвигает частоту лазера, а рассеяние на молекулах воды её уширяет. Сверхузкий фильтр, часто йодная паровая ячейка, делит принятый сигнал на полный и только молекулярный eurekalert.orgeurekalert.orgeurekalert.orgОткрыть источник ↗. Собственное рассеяние воды известно и стабильно, поэтому молекулярный канал напрямую даёт ослабление, а вклад частиц находится без допущений.

Из космоса это делают две миссии. Китайский DQ-1, запущенный в апреле 2022 года, несёт ACDL, первый действующий космический HSRL; его карты обратного рассеяния на частицах согласуются с буями Biogeochemical-Argo. Европейский EarthCARE/ATLID последовал в мае 2024 года и работает в ультрафиолете на 355 нм, тогда как ACDL использует 532 нм. В сравнениях с судовыми измерениями HSRL восстанавливал обратное рассеяние с отклонением до 10% более чем в пять раз чаще, чем упругий лидар.

Авторы описывают «виртуальную группировку»: HSRL для вертикальной структуры, гиперспектральные съёмщики для состава сообщества на поверхности и буи Argo с профилированием до 2000 м для наземной проверки. Объединённые в моделях, они могли бы ограничить «цифровой двойник океана», считают авторы.

Ограничения остаются. Лидар снимает одномерную «занавеску», которую трудно согласовать с двумерными снимками. Проникновение ограничено примерно двумя–тремя оптическими глубинами, поэтому глубинные максимумы хлорофилла в мутной воде остаются невидимыми. Проверка сосредоточена на водах открытого океана, прибрежные воды в основном не проверены eurekalert.orgeurekalert.orgeurekalert.orgОткрыть источник ↗. Планируемые миссии, включая CALIGOLA и китайскую Guanlan, нацелены на флуоресценцию и проникновение на 100–150 м.