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Estudiar la calidad del agua con satélites y datos públicos

Calidad del agua: El acceso a agua abundante y limpia para beber, recreación y medio ambiente es uno de los problemas más acuciantes del siglo XXI. 

Calidad del agua: El monitoreo directo de las amenazas a la calidad del agua dulce es de vital importancia, pero debido a que los métodos actuales son costosos y no estandarizados, los conjuntos de datos completos sobre la calidad del agua son raros. 

Calidad del agua: 6 millones de observaciones del agua

En los Estados Unidos, uno de los países con mayor cantidad de datos del mundo, a menos del 1% de todos los cuerpos de agua dulce se les ha tomado muestras de calidad.

En un nuevo documento, AquaSat: un conjunto de datos para permitir la detección remota de la calidad del agua en aguas continentales, un equipo dirigido por el profesor asistente de la Universidad Estatal de Colorado, Matt Ross, comparó grandes conjuntos de datos públicos de observaciones de la calidad del agua con imágenes satelitales para abordar los desafíos de medir la calidad del agua de manera eficiente y rentable.

Según Ross, un científico de cuencas hidrográficas en el Departamento de Ciencia y Sostenibilidad de los Ecosistemas, existen muchas amenazas para la calidad del agua, incluidos los nutrientes de la escorrentía agrícola que apoyan la proliferación de algas; sedimentación en reservorios que causan problemas de distribución; y carbono disuelto de las hojas en descomposición que interrumpe las reacciones químicas que mantienen el agua limpia y segura para beber.

Calidad del agua: 6 millones de observaciones del agua

En su mayor parte, las entidades gubernamentales monitorean la calidad del agua en los EE. UU. enviando científicos al campo para medir variables como la cantidad de clorofila (de las algas), las concentraciones de sedimento suspendido, el carbono orgánico disuelto y la claridad del agua en persona.

Pero, como explican Ross y su equipo, para comprender completamente y realizar un inventario de los cambios en la calidad del agua, se requiere un conjunto de datos mucho mayor; eso a su vez requiere que más y más personas hagan muestreo de campo, lo cual es muy costoso y es poco probable que aborde completamente el problema.

En cambio, el equipo sugiere que el uso de la teledetección a partir de imágenes satelitales podría ser una forma de ampliar enormemente nuestra comprensión de la variación en la calidad del agua a escalas continentales, con un pequeño costo adicional para el muestreo.

Fusionar imágenes satelitales con mediciones de campo

Durante muchas décadas, los científicos han sabido que el color del agua nos dice algo sobre lo que contiene. 

El agua bronceada brillante probablemente indica un río lleno de sedimentos. 

Remolinos verdes sobre el lago Erie muestran algas creciendo y produciendo clorofila. 

Las aguas marrones oscuras que drenan bosques y pantanos ricos en taninos convierten las aguas azules en marrones de color té debido a la forma en que la luz interactúa con ciertos compuestos orgánicos de carbono disueltos.

Los satélites de imágenes que orbitan la Tierra, incluido Landsat, detectan estas variaciones de color a medida que toman imágenes de la Tierra cada 16 días.

Calidad del agua: 6 millones de observaciones del agua

Esta imagen muestra cómo AquaSat se puede usar para predecir el sedimento total suspendido en el lago de cera y los deltas de Atchafalaya, donde los colores marrones son altas concentraciones de sedimentos y los valores azules son bajos.

«Estos satélites han cambiado fundamentalmente la forma en que entendemos los cambios a largo plazo en la agricultura, los bosques, los incendios y otros cambios en la cubierta terrestre», explicó Ross. «Sin embargo, ha habido menos uso del archivo Landsat para comprender los cambios en la calidad de las aguas continentales».

Un desafío de usar imágenes Landsat para evaluar la calidad del agua es la falta de un conjunto de datos centralizado que empareje las imágenes satelitales con las observaciones en el terreno. 

Estos emparejamientos, por ejemplo, cuando los satélites toman una foto el mismo día que alguien toma una muestra de algas, se pueden usar para construir algoritmos que usen imágenes solo para predecir la calidad del agua desde el espacio.

Actualmente existen menos de 1.000 emparejamientos de este tipo, en su mayoría creados para estudios individuales, lo que ralentiza la capacidad de los investigadores para construir, probar y aplicar modelos a gran escala para predecir la calidad del agua para cada imagen sin nubes en el archivo Landsat.

Una ‘sinfonía de datos’

Los investigadores de CSU crearon un nuevo conjunto de datos de más de 600.000 emparejamientos entre las mediciones de campo de la calidad del agua y las imágenes de Landsat, creando lo que Ross llama una «sinfonía de datos».

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Los datos de calidad del agua provienen de dos fuentes públicas: el Portal de Calidad del Agua, un centro de intercambio de datos federal de más de 400 agencias estatales, locales y federales diferentes; y LAGOS-NE, un conjunto de datos de ciencia abierta de mediciones de la calidad del agua del lago para el noreste de los Estados Unidos. 

Combinados, estos conjuntos de datos proporcionan más de 6 millones de observaciones de calidad del agua.

Calidad del agua: 6 millones de observaciones del agua

«Los satélites han cambiado fundamentalmente la forma en que entendemos los cambios a largo plazo en la agricultura, los bosques, los incendios y otros cambios en la cubierta terrestre», explicó Matt Ross de CSU. 

«Sin embargo, ha habido menos uso del archivo Landsat para comprender los cambios en la calidad de las aguas continentales».

Mediante el uso de software de código abierto y Google Earth Engine, los autores fusionaron los datos de calidad del agua con el archivo Landsat de 1984-2019. 

Tanto los conjuntos de datos sin procesar como el conjunto de datos de emparejamiento combinado, que llaman AquaSat, ahora están disponibles junto con el código subyacente para que los futuros usuarios puedan actualizarlo, cambiarlo y mejorarlo.

Los autores esperan que este conjunto de datos desbloquee nuevas y potentes aplicaciones en la detección remota de la calidad del agua.

«Esperamos que estas herramientas ayuden a construir estimaciones de calidad del agua a escala nacional para grandes ríos y lagos», dijo Ross. 

«Estos datos mejorarían drásticamente nuestra comprensión del cambio en la calidad del agua a escala macro y permitirían a la comunidad de sensores remotos comparar métodos y mejorar colectivamente nuestro enfoque».

En el futuro, el equipo de Ross espera ir más allá de los EE. UU. para emplear estos mismos métodos para mejorar el monitoreo de la calidad del agua en otros lugares con poca o ninguna observación de campo.

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