分布于世界各地的大量藻类，例如著名的大西洋马尾藻带，影响着当地的生态系统和环境。如今科学家将传统研究技术与卫星图像结合，正尝试深入理解这些生命。
海洋和湖泊中充满了微小的藻类——它们是尺寸仅为1~200微米的单细胞生物，在每升水中的数量从几十到几百万不等。当然，也存在各种类型的大体型海藻，它们也被称为海草，海洋和湖泊常见其身影。马尾藻、石莼、巨藻等大型藻类生活在海底或地表水中。微藻和大型藻类对当地生态系统都很重要，也影响世界各地的环境以及人类与海洋互动的方式。如今，卫星技术和不断发展的海洋光学正迅速改变科学家测量藻类及其与环境相互作用的方式。
微藻颗粒的大小、形状和类型各不相同。最常见的是蓝藻细菌（也被称为蓝绿藻），还有硅藻、甲藻、绿藻和颗石藻（图1），其中大多数都能在咸海水、沿海咸水水域和淡水湖泊中生活。了解它们的分布和浓度，非常有助于我们了解它们各自的生态功能以及响应环境变化的方式。
图1图为大型藻类和微藻类。大西洋中存在大量大型藻类流动马尾藻III（a）和漂浮马尾藻I（b）。它们是优质的水生生物栖息地，因为它们的气囊帮助它们漂浮在海洋表面。（c）是海洋和湖泊中常见的微藻类型（它们并不是按比例绘制，大多数的尺寸为数十微米），每种类型可能有数百种物种，它们的形状与图示不同
尽管微藻又称浮游植物，肉眼不可见，但这些小型植物能进行光合作用，是食物链中碳的主要生产者——它们的贡献约占地球初级生产总量的一半，另一半由陆地植被提供。因此，测量分析微藻颗粒对我们理解其在碳封存、渔业和生态学中的作用至关重要。
如果浓度足够高，一些微藻会形成有害藻华（HAB），产生毒素或耗尽溶解氧。它们杀死鱼类和其他动物，从而导致食物网改变和其他环境影响。HAB还会扰乱当地经济。蓝细菌的有害藻华反复出现于世界各地许多湖泊中，例如美国的伊利湖和奥基乔比湖。在墨西哥湾，2018年一场持久的短凯伦藻（一种有毒甲藻）导致佛罗里达州损失3.17亿美元和2 900个工作岗位。这些影响不仅损害了海洋相关行业，例如商业捕捞和出租潜水作业，还间接影响到旅游业和房地产等产业，因为人们选择远离受藻华侵袭的地区。
在各种大型藻类中，大西洋的马尾藻是关键角色，因为它给许多海洋动物提供重要的栖身之地。大西洋马尾藻主要有两种，流动马尾藻和漂浮马尾藻（图1）。两者都以无性繁殖方式生活在海洋表面，直到死亡并沉入海底。当马尾藻大量积聚于沿海水域或海滩上时，情况就糟糕了。早期研究主要通过实地测量来研究其生态功能和生物量。最近，科学家利用空间技术绘制了马尾藻生物量图谱，这一进展是海洋光学解决新兴科学课题需求的一个典型案例。
现场测量微藻
传统上，微藻颗粒要在现场收集，然后在显微镜下进行分析，以表征其大小、形状、形态和分类群种。现场采集技术历经发展，现已扩展到流式细胞术：摄像机捕获悬浮于流管内的微藻细胞的影像，分析人员或计算机程序对图片进行分析。最近，DNA条形码也被用于识别微藻类群及其生存环境。尽管这些技术相对准确，但它们依赖对样品的接触性处理。此外，光学仪器还可通过非接触技术测量微藻颗粒。
海洋光学测量的历史可以追溯到19世纪末和20世纪初研究者为了解海洋的颜色以及阳光如何穿透海洋而开展的最早期探索。光的穿透力，或者说水的透明度，通过塞奇盘（漆成四个象限、黑白两色相间的圆铁盘）确定——塞奇盘在水下刚好不可见的深度，即所谓的塞奇深度。不过这种手持式仪器虽然相对准确，但只能测量海水的一种特性。研究人员需要开发能精确测量其他光学特性的数字仪器以描述它们。
这些要求推动了海洋光学进步。海洋光学研究光如何与水及其成分相互作用，以及如何测量和解释这种相互作用。它采用基于物理原理的辐射传输理论来描述海洋及其成分的光学特性，以及光如何与大气气体和颗粒（即气溶胶）相互作用。海洋光学是物理学和海洋学的结合，于20世纪50年代至80年代之间作为一门跨学科科学诞生并发展。在那个阶段，海洋光学的先驱者系统性地研究了自然光如何被海洋颗粒和溶解物质吸收、散射和发出荧光（图2）。
图2阳光在被卫星捕获之前，会与大气、水、颗粒和水中溶解的物质相互作用。在遥感海洋水色的过程中，大气的贡献会被校正，从而产生光谱表面反射率，可用于表征海洋表面和海面下方的微藻和大型藻类
海洋光学的进步带来了测量各种微藻颗粒的新方法。早期阶段，微藻和非藻类颗粒的光学特性（吸收和散射）是在现场和实验室里用发光管、过滤垫和其他仪器测量的。例如，叶绿素 a（光合作用的主要色素）和其他色素的浓度是用荧光计测定的，因为一旦微藻吸收某一波长的光，它们就可以发射更长波长的光。
如今，科学家能使用更复杂的仪器和方法来测量所有光学特性。其中一种方法是高效液相色谱法（HPLC）。不同类型的微藻具有不同色素成分，且每种色素都有其自己的吸收光谱。因此，总色素吸收光谱可被分解为单个色素吸收光谱，从中可以估计微藻的类型和大小。例如，作为一种淡水蓝藻，铜绿微囊藻（造成大多数淡水有害藻华）通常会因其藻蓝蛋白色素而被人类识别；藻蓝蛋白导致铜绿微囊藻呈蓝绿色，而咸水蓝藻束毛藻的藻胆蛋白、藻红蛋白和藻蓝蛋白色素是我们识别它的依据。
或者，微藻反向散射与吸收的比值可以用作分离其他相似微藻的指标。该技术被用来区分有毒的短凯伦藻（造成墨西哥湾大多数有害赤潮）与硅藻，前者的反向散射率较低。更重要的是，卫星表面光谱反射数据已成为关键工具，因为反演算法可以确定吸收和散射光谱。
现场测量大型藻类
光学技术也用于测量大型藻类。对于大西洋马尾藻，大多数现场和实验室工作依赖肉眼观察、用网采集样品以及使用HPLC和其他技术。对马尾藻的光学测量直到2010年代才开始。
由于马尾藻在海洋表面形成单团块（图1a和图1b）和多团块垫，故要在现场测量其反射率。可以建立反射率与海洋表面马尾藻生物量密度（单位面积重量）的关系。在将标记好的马尾藻收集至大网中前，通过将其完整尺寸与参考样方（见图3a）进行比较来确定马尾藻垫的面积。除去周围水分后，对湿样品做称重。用烘箱干燥样品后，对干样品做称重。大约80%的湿重仅来自水。
图3测量墨西哥湾的马尾藻垫。（a）通过对收集的马尾藻进行称重并使用参考样方（边长为1米）测算确定生物量密度，以确定收集的马尾藻尺寸。（b）使用指向马尾藻垫的手持式光谱仪测量它的光谱反射率。测量结果差异主要源于被光谱仪视野捕捉到的马尾藻数量（以千克每平方米为单位的生物量密度）。反射率和密度之间的关系可用于开发算法来校准和验证基于空间的测量，这些测量仅提供反射率数据
使用带有光纤探头的光谱仪来测量马尾藻垫的反射率，该光谱仪可收集样方中反射的阳光。图3b显示了马尾藻垫的几个反射光谱示例。波长范围400~700nm的可见光在600~640nm区间附近具有局部反射率最大值，这也是马尾藻呈现黄色或棕色的原因。波长620nm左右的局部最小值由叶绿素c的光吸收导致，670nm左右的局部最小值由叶绿素a的光吸收导致。关于波长范围700~900nm的近红外波长，其局部反射率最大值通常被称为红边反射率——对于陆地和大型海洋植物来说都是典型情况。
除现场的反射率和生物量密度测量外，还要分析从样方收集的马尾藻样品的色素成分以及碳、氮和磷等元素浓度。由于样品组成是通过马尾藻反射率测量的，也可通过卫星测量，故现场数据对于验证卫星观测结果至关重要。研究人员利用基于现场和实验室测量的数据开发了应用于太空测量的算法，旨在估计马尾藻生物量密度和其他特性。
借助新的海洋水色遥感技术，以及理论、仪器和算法进步，科学家不仅能测量和表征水下光场，还可从太空观察全球海洋和湖泊。通过大气校正过程，可用卫星探测到的信号来估计海洋表面光谱反射率。反射率包含有关微藻颗粒色素浓度、吸收、散射、荧光、类型和尺寸分布以及大型藻生物量密度和其他特性的信息。为获得这些信息，研究人员依靠根据现场和实验室测量开发的精密反演算法。整个过程取决于对海洋光谱反射率——或者说海洋水色——的解释，因此也称海洋水色遥感。（同样的术语也适用于淡水湖。）
海洋水色遥感的历史要追溯到许多先驱的开创性工作。回顾1978年，那时雨云7号卫星（Nimbus-7）的八台仪器中包括了概念验证型的海岸带水色扫描仪。自那以后，被专门设计用于测量反射阳光的现代卫星传感器具备了更多光谱带、更好的信噪比和更精细的空间分辨率。最近的任务也允许更频繁地重新访问同一地区。来自卫星的表面反射率测量产出了前所未有的数据，不仅能研究海洋中的光穿透，还可通过反演算法研究微藻颗粒和大型藻垫的特性。
事实上，自1980年代以来，使用“海洋光学”和“海洋水色”等短语的出版物数量呈指数级增长。各个航天机构，包括美国宇航局（NASA）已经提供了显示浓度、吸收、散射、类型、尺寸和其他变量的微藻颗粒的全球分布图。学术界使用这些数据产品，不仅可以量化叶绿素a和初级生产，还能区分不同浮游植物功能群，监测有害生物，了解它们对不断变化的海洋环境的生理反应。例如，美国联邦政府和州机构已将定制算法应用于多传感器海洋水色数据，以生成和分发海洋和湖泊的有害藻华公告。
从太空测量马尾藻
目前海洋水色遥感不仅用于研究微藻，也是研究大型藻类的重要工具。在众多大型藻类中，大西洋马尾藻是特例，因为循环出现的大西洋马尾藻带（GASB）代表了一种新现象——对研究、环境、旅游业和经济都有重大影响。
通过现场测量建立的马尾藻反射率和生物量密度之间的关系可应用于卫星测量的每个有效图像像素中的反射率，以从太空中绘制其生物量密度。在此过程中，大气和其他扰动因素的影响被消除，辐射传输方程估计了这种消除会如何调节函数关系。云层覆盖等因素经常导致图像中的数据间隙。不过只要根据前后几天图像中的所有有效像素计算出马尾藻生物量密度的平均值，即可填补特定时间段内给定位置的间隙。
2021年6月的马尾藻密度分布图如图4所示：可以观察到一条从非洲西部延伸至墨西哥湾的连续马尾藻高密度带，即GASB。该带水域面积约为5×106 平方公里，散布在周围的马尾藻垫如果聚集在一起，面积合计约6 000平方公里，估计湿生物量总量达1 800万吨。
图4 2021年6月的大西洋马尾藻带，面积约5×106平方公里。据估计，马尾藻本身的面积约6000平方公里，总湿生物量为1800万吨。0.1%的面积密度对应3.3吨/平方公里的生物量密度
自2011年来，大西洋马尾藻带每年都出现，这是海洋光学和海洋水色遥感技术进步的结果。传统上，马尾藻在马尾藻海（北大西洋的一个以大型藻类命名的无岸之“海”）中含量丰富，但卫星数据显示，近年来热带大西洋中大型藻类的丰度高得多。研究人员正努力研究GASB，包括它如何形成，能否表明气候变化导致的稳态转换，如何影响当地生物和生态，如何改变碳循环，以及可否用于汇集碳至海底。
马尾藻是海洋生物的重要栖息地，但沿海水域和海滩上过量的马尾藻已造成巨大问题，因为死亡马尾藻会沉入海底并使珊瑚和海草窒息。海滩上腐烂的马尾藻会破坏海龟巢，吸引昆虫，滋生和传播细菌，导致人类呼吸道疾病。所有这些问题都对当地旅游业和经济产生了不利影响，因此马尾藻从重要栖息地变成了海滩公害。
对抗马尾藻的负面影响需要更多研究工作以了解其生物学原理，预测其繁殖情况，开发新方法来减轻影响，将马尾藻制成有用的产品，例如肥料。海洋光学和海洋水色遥感预计将继续在上述各方面发挥重要作用。更好地了解马尾藻生物量、生长速度和变化模式将为预测模型提供更准确数据，并通过人工智能应用提高监测和追踪能力。
环顾全球，马尾藻并非唯一可使用光学手段检测、表征和量化的大型藻类。其他类型藻类，无论是漂浮于水面上的还是生长在浅水底部的，也有相关的光学研究。这些藻类包括黄海的石莼、东海的铜藻、加州的巨藻和全球近岸海洋的海草。科学家基于与大西洋马尾藻研究相同的光学原理，在野外和太空研究多种大型藻类。随着更多针对大型藻类的研究开展，它们在碳科学和其他地球科学领域中的作用将被更好的认知和量化。
大小卫星
经过一个世纪的发展，海洋光学继续对科学技术产生深远影响。水下能见度理论已经从依赖假说发展为可直接估计水体透明度。新型传感器用于测量可变荧光。新型流式细胞仪也闪亮登场，能每秒分析数千个微藻细胞。种种技术进步让科学家能对浮游植物生理学进行更准确评估；一些传感器已被定制安装于自主平台上，例如全球海洋观测网（ARGO）计划用于收集海洋数据的海洋滑翔机和浮标。
这些传感器能对光散射、吸收、荧光、衰减和反射率做直接和衍生测量，从而表征水下光环境并自动估计微藻和其他海洋成分。例如，伴随着洋流，每个ARGO浮标每10天在水面和2 000米深度之间循环，通过其安装的传感器收集与深度相关的海洋特性信息。全球海洋分布有4 000多个ARGO浮标，因此此类生物光学数据将为绘制微藻和其他海洋特性的三维地图、开发遥感算法和验证遥感数据产品提供前所未见的支持。
这些进展还支持新的极轨卫星和地球同步卫星任务。任务所使用的探测器结合了光谱学与成像、偏振测量以及激光雷达等主动技术。计划的工作包括NASA即将推出的浮游生物、气溶胶、云、海洋生态系统（PACE）任务和目前正在开发中的地球同步滨海成像和监测辐射计（GLIMR），以及美国国家海洋和大气管理局未来的对地静止扩展观测（GeoXO）卫星系统。
易于生产的新一代小型卫星星座，即立方卫星（CubeSats），具有十分重大的意义。它们能以几米的空间分辨率测量陆地和沿海水域，几乎每天都会在全球范围内进行重访。不过直到最近，这种能力才成为可能——传统卫星无法兼具高空间和高时间分辨率，也就无法用于研究快速变化、细节精巧的微藻和大型藻类。事实上，由200多个立方卫星组成的PlanetScope星座已经大幅提升了追踪海滩附近大型藻类的能力。
计算机人工智能在现场和实验室测量以及光学遥感中的应用越来越多，通常拥有比传统方法更强大的算法与数据产品。所有的进步将继续增强我们在现场和太空中表征、量化以及理解微藻和大型藻类的能力。
资料来源 Physics Today
