Translated by Isabel Zetina

Las algas dañinas aparecen cuando algas productoras de toxinas experimentan crecimiento excesivo en las masas de agua. Estas proliferaciones tienen el potencial de causar efectos perjudiciales tanto en la salud  acuática como en la humana y a veces pueden causar la muerte, dependiendo del tipo de algas de que se trate (NIEHS, 2021). Gracias a el uso de la tecnología de teledetección espacial para vigilar la calidad del agua en zonas costeras y depósitos de agua potable, los países son cada vez más conscientes de la calidad de sus aguas. Un ejemplo de esta tecnología es el de imágenes hiperespectrales para el Océano (siglas HICO en inglés), la cual se utiliza para captar imágenes de zonas costeras de todo el mundo para identificar el crecimiento de algas tóxicas (Gaskill, 2018). Esta tecnología de teledetección ha inspirado avances en la teledetección hiperespectral a distancia a escala mundial 

Para muchos, las zonas más valiosas y dinámicas de nuestro planeta son las zonas costeras de la tierra donde cientos de miles de personas de todo el mundo acceden al agua y la calidad es crucial. En los últimos años la NASA ha utilizado una tecnología de teledetección conocida como imágenes hiperespectral para el océano costero (HICO) para capturar imágenes de zonas costeras, e identificar el crecimiento de algas nocivas y tóxicas en embalses de agua potable (Gaskil, 2018). Este instrumento utiliza tecnología de teledetección, la cual cuando es montada en la Estación Espacial Internacional (ISS), puede identificar regularidades en la calidad del agua y toxinas invisibles para el ojo humano. El HICO se ha utilizado ampliamente para vigilar las proliferaciones de algas nocivas (FAN), que se producen cuando las algas productoras de toxinas experimentan un crecimiento excesivo en masas de agua (véase la Figura 1). 

Las algas viven en los medios acuáticos como organismos microscópicos y producen energía utilizando la luz solar. Este proceso es conocido como fotosíntesis.Dependiendo del tipo de alga, las proliferaciones pueden observarse como rojo, marrón, verde y/o azul verdoso (NIEHS, 2021). No todas las algas se consideran tóxicas. De hecho, las algas están constantemente presentes en las masas de agua incluyendo océanos, ríos y lagos (NIEHS, 2021). Dependiendo de ciertos factores ambientales como la luz, la temperatura y los niveles de nutrientes  la producción de algas tóxicas puede ser o no ser estimulada (NIEHS, 2021).En la actualidad los científicos creen que las FAN son el resultado de temperaturas más cálidas junto con fertilizantes (o aguas residuales de desagüe que luego causan un exceso de nutrientes (NIEHS, 2021). Por ello, es importante vigilar estos factores, ya que el agua contaminada con algas tóxicas (como las algas verdeazuladas Microcystis spp. y Karenia brevis) puede causar varios problemas de salud, como irritación en los ojos y los pulmones, entumecimiento e incluso daños graves en el hígado (Nimon, 2014). Las FAN no solo son responsables de humanos, sino que también representan una amenaza significativa para el ecosistema marino. 

Debido al cambio climático, los expertos creen que las FAN serán más frecuentes, de gran alcance y graves (NIEHS, 2021). Cuando se producen FAN, las personas pueden verse expuestas a las toxinas nadando y bebiendo el agua contaminada contaminada, comiendo el pescado que capturan e incluso respirarando el aire tóxico. De hecho, las toxinas permanecen incluso después de hervir el agua contaminada o cocinar marisco contaminado (NIEHS, 2021). Por ejemplo, si se consume a través de mariscos contaminados, el alga conocida como Alexandrium puede causar parálisis e incluso la muerte. Además, el alga Pseudo-niteschiaes es capaz de producir toxinas que causan “vómitos, diarrea, confusión, convulsiones, pérdida permanente de la memoria a corto plazo o la muerte cuando es consumida en grandes cantidades” (NIEHS, 2021) (véase la Tabla 1). Los expertos creen que los niños y los ancianos son los que corren mayor riesgo, ya que son significativamente más sensibles a las toxinas causadas por las FAN (NIEHS, 2021). Otras poblaciones de alto riesgo son las que dependen de los mariscos para sobrevivir, ya que existe un mayor riesgo de salud a largo plazo complicaciones resultantes de exposiciones potencialmente frecuentes y de bajo nivel a las toxinas HAB (NIEHS, 2021). Estas proliferaciones han también han sido responsables de reducir los niveles de oxígeno en el agua, así como bloquear la entrada de luz solar en el agua, matando a los peces y a cualquier otro organismo que vive bajo la superficie (NIEHS, 2021).

Beneficios de las imágenes hiperespectrales para el Océano Costero 

Mediante el uso de HICO para observar FAN, los investigadores pueden ver alrededor de 90 longitudes de onda de datos de las imágenes hiperespectrales que el ojo humano  no puede ver por sí solo (Nimon, 2014). Esto supone una gran oportunidad, ya que la materia biológica implicada en las FAN emite longitudes de onda únicas no visibles para el ojo humano. Por lo tanto, las FAN tienen una firma espectral única. Esta firma específica puede identificarse mediante fluorescencia y retrodispersión, las cuales se producen cuando la luz solar se refleja en la materia biológica y vuelve al HICO, donde los expertos leen y analizan los datos (Nimon, 2014).

El uso de datos espaciales de teledetección permite conocer mejor las condiciones de la calidad del agua en todo el mundo. Las imágenes hiperespectrales no solo pueden servir de apoyo a las condiciones de calidad del agua a escala regional, sino también a prácticas sostenibles más pequeñas que contribuyen a mantener o mejorar las condiciones medioambientales en todo el mun(Keith, 2013). El uso de imágenes hiperespectrales ha permitido a los científicos comprender mejor la calidad del agua y la proliferación de algas. Mary Kappus, jefa de rama de Coastal and Ocean Remote Sensing en el  Naval Research Laboratory (NRL)
(NRL), comenta que se han publicado numerosos trabajos sobre incidentes de proliferación de algas que afectan a muchas personas. Añade que los investigadores tienen una idea de los lugares en los que es probable que se produzcan estas proliferaciones, pero les resulta difícil predecirlas en tiempo real (citado en Gaskill, 2018). Según el doctor Ruhul Amin, investigador principal del proyecto HICO CASIS-NRL, las imágenes multiespectrales convencionales del color del océano no tienen la capacidad de discriminar entre las especies de proliferaciones, sin embargo, debido a las bandas contiguas de HICO, el instrumento proporciona a los expertos datos que pueden ayudar a identificar las especies de FAN (citado en Nimon, 2014).

La alta resolución espacial y espectral que ofrece HICO permite a los investigadores utilizar datos hiperespectrales para innovar la identificación de especies de FAN. De hecho, según el doctor Richard Gould, jefe de la división de procesos bioópticos/físicos y teledetección del NRL de Estados Unidos, las imágenes hiperespectrales proporcionan un método rentable de detección y seguimiento de las proliferaciones(citado en Nimon, 2014). Las imágenes hiperespectrales también se han hecho disponibles para su uso en los esfuerzos de respuesta, con el fin de proporcionar información en línea a las organizaciones de las regiones afectadas por catástrofes naturales/no naturales (por ejemplo, vertidos de petróleo, inundaciones, etc.) para la Carta Internacional de las Naciones Unidas sobre el Espacio y las Grandes Catástrofes (Nimon, 2014). De este modo, las organizaciones pueden compartir información crucial con los equipos de respuesta en tierra para producir información útil que, de otro modo, sería difícil obtener en tiempo real (Nimon, 2014).

¿Cómo funcionan las imágenes hiperespectrales? 

Mientras que una cámara normal solo es capaz de recoger datos de tres canales espectrales, la HICO es capaz de recoger todo el espectro de longitudes de onda, desde el visible hasta el infrarrojo cercano (Gaskill, 2018). Las imágenes hiperespectrales tienen la capacidad de proporcionar una imagen de una escena que abarca unos 40 kilómetros de ancho y 190 kilómetros de largo durante su órbita de 90 minutos. Esto significa que cada píxel observado en la imagen representa un cuadrado de 95 metros (Keith, 2013).

Dado que las imágenes hiperespectrales tienen la capacidad de observar los cambios en la calidad del agua de forma mucho más eficiente que los satélites de color del océano existentes hasta ahora y que la monitorización tradicional sobre el terreno (Keith et al., 2014), esta tecnología ofrece una oportunidad única e inigualable a la comunidad de monitorización medioambiental costera. Gracias a las imágenes proporcionadas por los sensores ópticos de la ISS, los expertos pueden cuantificar y comprender mejor los cambios en las zonas costeras (Keith, 2013). De hecho, mediante el uso de estos dispositivos de teledetección, los investigadores han podido identificar la "presencia de plantas microscópicas, compuestos orgánicos, sedimentos en suspensión y otros factores que controlan la calidad del agua" (Nimon, 2014).

Ejemplo de aplicación

En 2009, HICO se utilizó junto con el Sistema de Detección Remota Atmosférica e Ionosférica (siglas RAIDS en inglés) en la Carga Útil Experimental HICO y RAIDS, recogiendo alrededor de 10.000 imágenes de las zonas costeras de latierra durante un período de cinco años a bordo de la ISS (Gaskill, 2018). Mientras HICO registraba el visible a espectro infrarrojo cercano, RAIDS pudo proporcionar información más detallada sobre la temperatura, la densidad y la composición tanto de la ionosfera como de la termosfera, así como de otras regiones de la atmósfera terrestre dentro de una altitud aproximada de 95-300 kilómetros (Gaskill, 2018). Mediante la combinación de dos sensores experimentales, los expertos pudieron observar una imagen mucho más clara y en profundidad de algunas de las partes más cruciales de la Tierra (véase la Figura 2).

Retos y limitaciones

Entre los problemas que plantean los generadores de imágenes hiperespectrales cabe nombrar la falta de software funcional que permita realizar correcciones atmosféricas, así como la calibración de los instrumentos para lecturas en el espectro azul-verde (Keith et al., 2014). Otras limitaciones son la escasa anchura de barrido del sensor y la órbita de baja altitud de la ISS (Keith et al., 2014). Esto puede dificultar bastante a los investigadores la obtención de una lectura precisa de zonas costeras más extensas en un periodo de tiempo determinado.

Aunque la NASA pone a disposición del público datos de teledetección sin costo alguno, su comprensión y uso pueden resultar bastante complicados. Para combatir esta limitación, el programa Earth Science Data Systems (ESDS) de la NASA y el Sistema de Datos e Información del Sistema de Observación de la Tierra (EOSDIS) Los Centros de Archivo Activo (DAAC) han desarrollado recursos y herramientas para superar este reto. 

Uno de estos recursos es un sistema en línea llamado EarthData que ha puesto a disposición de los usuarios varias presentaciones/tutoriales útiles (por ejemplo, NASA Data Made Easy) en plataformas como YouTube. La facilidad de acceso a estas presentaciones ofrece a cualquier persona interesada en aprender más sobre este sistema y cómo utilizarlo la oportunidad de explorar este recurso y tener fácil acceso a los datos/información.

Perspectivas del futuro

Por desgracia, el ordenador de HICO sufrió daños irreversibles durante un fuerte impacto de radiación de una tormenta solar en septiembre de 2014, lo que provocó su retirada en 2018 (Gaskill, 2018). A pesar de ello, el trabajo realizado durante su tiempo activo sigue vivo.

Todavía se puede acceder en línea a la mayoría de las imágenes recogidas por la investigación HICO. De hecho, investigadores y científicos siguen estudiando grandes cantidades de datos y fotografías de zonas costeras mediante una aplicación web en línea conocida como The Hyperspectral Imager for the Coastal Ocean Image Processing System (HICO IPS) (Gaskill, 2018). 

Además, a HICO se le atribuyen avances inspiradores en la teledetección hiperespectral, así como la mejora de las herramientas de análisis de datos de teledetección. Einar Bjorgo, director del Programa de Aplicaciones Operacionales por Satélite de las Naciones Unidas de UNITAR, comenta,

"...nos sentimos alentados por la amplia gama de nuevas aplicaciones que las imágenes hiperespectrales nos permitirán ofrecer a los Estados miembros de la ONU y a los organismos afines, [...] estas imágenes permitirán una mejor gestión de los recursos naturales y de las catástrofes permitiendo a los agentes nacionales disponer de datos pertinentes y oportunos sin coste alguno".- Einar Bjorgo (Nimon, 2014).

Conclusión

La tecnología de teledetección espacial para la vigilancia de la calidad del agua proporciona a los investigadores un recurso mundial único. Gracias al trabajo realizado a través del proyecto HICO, disponemos de cuatro años de datos que podemos utilizar para mejorar continuamente nuestra comprensión y gestión del agua en la Tierra. Sólo através de una comprensión más profunda de la ciencia relativa a la calidad del agua, seremos capaces de aplicar con éxito diferentes niveles de apoyo y prácticas sostenibles para las comunidades de todo el mundo. Gracias a tecnologías innovadoras como HICO y RAIDS, los expertos son ahora más capaces de comprender y vigilar el comportamiento de las zonas acuáticas costeras con el fin de mantener unas condiciones hídricas saludables en todo el mundo.