Le réservoir de San Luis dans le comté de Merced – l'un des plus grands lacs artificiels de Californie – n'irrite pas seulement les terres agricoles de la vallée centrale et fournit de l'eau potable à travers la Silicon Valley et la South Bay, mais attire également les nageurs, les plaisanciers et les pêcheurs toute l'année.
Pourtant, pendant des mois à la fois, des couvertures d'algues vert forestier se sont propagées à la surface du lac. Malgré leur apparence calme, ces fleurs d'algues nocives (HABS) peuvent perturber l'approvisionnement en eau, les écosystèmes et les activités de loisirs – et poser de graves risques pour la santé.
Au cours de la dernière décennie, le California Department of Water Resources (DWR) a émis des avis de santé fréquents pour le réservoir. Ces avertissements, qui passent de la prudence au danger, indiquent aux visiteurs quand éviter l'eau en raison de toxines qui peuvent provoquer des éruptions cutanées, une irritation des yeux et des symptômes pseudo-grippaux. Les HAB ont même été impliqués dans la mort de plusieurs chiens de compagnie dans l'État ces dernières années.
Tout en obtenant son diplôme d'études supérieures en systèmes environnementaux à l'Université de Californie, Merced, Brittany Barreto Martinez, maintenant chercheur postdoctoral au Labory Hydrology Lab de l'Université d'État de San Diego, a vu l'occasion d'améliorer la surveillance du HAB, qui s'est généralement appuyée sur des échantillons d'eau de littoral.
« Un jour, je suis sorti pour échantillonner le week-end de la fête du Travail, et naturellement les gens ont pris leurs bateaux pour pêcher et nager », a déclaré Barreto Martinez. « À l'époque, le lac était très vert, à un niveau d'avertissement au moins. Il est utile de déterminer les schémas de floraison d'algues plus loin dans le lac plutôt que simplement sur les bords du lac, surtout si la navigation de plaisance et la pêche est autorisée. »
Suivi des fleurs d'en haut
La formation d'une excès d'algues se produit lorsqu'un système d'eau est enrichi de nutriments, tels que le phosphore et l'azote. Dans de telles conditions, certaines proliférations d'algues, y compris celles contenant des cyanobactéries, des dinoflagellates et des diatomées, peuvent produire des toxines qui provoquent une maladie lorsqu'elles sont ingérées. Les cyanobactéries sont la cause la plus fréquente de proliférations d'algues nocives dans les systèmes d'eau douce.
Le ruissellement des engrais, des eaux usées et même des incendies de forêt peut perturber l'équilibre d'un écosystème et entraîner un excès de nutriments dans les lacs et les réservoirs. Cependant, l'impact des activités humaines sur la formation de HAB a été difficile à définir en raison des limites de la collecte des échantillons au sol, ce qui ne permet que des tests au comptant, même si la croissance des algues peut varier considérablement entre les emplacements.
Pour avoir une meilleure idée de la façon dont les algues commencent à s'accumuler loin du rivage, Barreto Martinez a décidé de lever les yeux. Avec son conseiller doctoral, Erin Hestir, professeur de génie civil et environnemental et directrice de Citris à UC Merced, elle a décidé d'explorer l'utilisation de la télédétection par satellite pour détecter les habits dans le réservoir de San Luis, de l'autre côté de la surface du lac.
Barreto Martinez s'est associée au professeur d'ingénierie de l'environnement Marc Beutel, qui avait reçu un financement de Citris à UC Merced, pour poursuivre la recherche. Elle a également reçu le soutien du programme très sélectif de la NASA Future Investigator in Earth Space Science and Technology (Finesset), qui offre jusqu'à trois ans de financement aux étudiants diplômés prometteurs poursuivant des sujets d'intérêt à la Direction de la mission scientifique de la NASA.
Recherche du point idéal dans la sensibilité du capteur
Barreto Martinez et son équipe ont commencé par déterminer si les technologies satellites existantes avaient la sensibilité appropriée pour cette nouvelle application.
Tous les matériaux physiques possèdent des signatures spectrales uniques, en fonction de la façon dont elles absorbent et reflètent les longueurs d'onde du rayonnement électromagnétique (DME), en particulier la lumière visible.
La sensibilité spectrale d'un capteur, ou la gamme de longueurs d'onde qu'il mesure, et sa résolution, ou la quantité de détails qu'il peut détecter, les deux ont des limitations technologiques. Malheureusement, étant donné la taille et les contraintes de poids inhérentes au lancement d'un vaisseau spatial en orbite, tous les satellites ne peuvent pas être équipés pour détecter chaque longueur d'onde de DME. Des compromis sur la sensibilité spectrale et la résolution sont nécessaires, et les critères sont soigneusement considérés en fonction de l'objectif prévu du satellite.
« Nous avons des capteurs satellites conçus pour l'imagerie océanique, et nous avons des capteurs satellites conçus pour l'imagerie terrestre », a déclaré Hestir, « mais aucun n'est spécifiquement conçu pour mesurer les lacs et les voies navigables dans la partie intérieure de notre nation. »
Les satellites qui obtiennent des terres ont de petits pixels qui accordent une résolution plus élevée, mais ils ont une faible sensibilité spectrale à l'eau, qui a tendance à absorber, plutôt que de réfléchir, le DME nécessaire pour créer une image utile. Les satellites qui obtiennent l'océan, en revanche, sont construits pour détecter de grands plans d'eau, mais leurs images sont composées en conséquence de pixels plus grands.
Combler les données de l'écart dans la floraison
Barreto Martinez a trouvé deux satellites spécifiques, Sentinel 2 et Sentinel 3, qui pourraient être utilisés pour détecter la chlorophylle – un indicateur fiable pour les cyanotoxines, selon l'Organisation mondiale de la santé – et la chlorophylle et les cyanobactéries, respectivement.
Grâce à sa sensibilité spectrale plus large, Sentinel 3 a pu confirmer lorsque les cyanobactéries et la chlorophylle étaient tous deux présents, tandis que la Sentinelle 2 à haute résolution pourrait discerner la variabilité de la densité de la floraison des algues dans différentes zones du lac.
Pour son enquête, Barreto Martinez a utilisé les informations open source de Sentinel 2 et Sentinel 3 prises entre 2016 et 2022, sélectionnant des images prises les mêmes jours que le DWR a collecté des échantillons d'eau sur le quai.
Comme l'équipe l'a partagé dans un article en 2024 dans le journal Geohealthles données résultantes de Sentinel 2 ont montré plus de 79% un accord avec les niveaux de toxine trouvés dans les échantillons de sol, et Sentinel 3 a trouvé un accord de 83%. En d'autres termes, les informations des satellites correspondaient à un degré élevé avec la détection de toxine Dockside HAB, démontrant la capacité de télédétection à déterminer la taille et l'emplacement des proliférations d'algues dans le lac.
Les travaux de Barreto Martinez ont fait des progrès vers la commission d'un écart de collecte de données frappant et la promotion d'un plus grand degré de sécurité publique. À l'avenir, les données de la détection des satellites peuvent aider le DWR à décider où prélever des échantillons au sol, tout en permettant à l'agence d'émettre des alertes de santé publique plus précises encore plus rapidement.
Hestir a attribué l'impact du projet à l'approche méthodique de Barreto Martinez.
« Brittany était très persistante », a-t-elle déclaré. « Elle a décidé de devenir un expert de la technologie satellite pertinente, de développer des compétences sophistiquées de codage et d'analyse des données, de créer une connaissance approfondie du système de ces écosystèmes de lac, et même d'obtenir une certification pour lancer et conduire un bateau pour collecter des échantillons de vérification. »
Identifier une tendance alarmante
Lorsque l'équipe a examiné les données historiques de tous les lacs de Californie visibles depuis l'espace, ils ont trouvé une augmentation surprenante du nombre de jours d'alerte Toxic HAB dans tout l'État, en particulier en Californie du Sud – au cours des 15 dernières années.
Cette tendance est parallèle à une augmentation des incendies de forêt graves au cours des deux dernières décennies, soulevant une nouvelle question: les incendies de forêt pourraient-ils conduire l'augmentation des algues du lac, directement ou indirectement?
Le projet Kelpfire financé par Hestir, financé par la NASA, qui examine les effets du ruissellement des incendies de forêt sur le varech côtier, a montré que la perte de végétation augmente les sédiments et le ruissellement de surface. Après un incendie, cela peut modifier les niveaux de nutriments entrant dans les lacs et les réservoirs.
« Quelle part du bassin versant a été brûlée? Et qu'est-ce qui a brûlé? » dit Hestir. «Les établissements humains ont-ils été détruits qui pourraient ajouter des polluants nocifs et des métaux lourds dans les voies navigables?
« Nous travaillons dur avec nos collègues de la NASA, de l'UCLA et de l'USGS pour mieux comprendre quand et pourquoi un incendie de forêt a un impact. »
Les recherches de Hestir font partie de plusieurs collaborations émergentes entre les chercheurs de Citris et la NASA, encouragée par la Citris Aviation Initiative.
Garder les humains dans la boucle
En attendant, l'échantillonnage sur place restera essentiel au réservoir de San Luis pour surveiller les qualités de l'eau qui ne peuvent pas être déterminés visuellement, comme les niveaux de nutriments.
« La télédétection n'est pas destinée à remplacer les échantillons de« Grab »; les deux techniques fonctionnent main dans la main», a déclaré Barreto Martinez. « Là où les humains ne peuvent pas, ces machines le peuvent. »
En introduisant un outil de mesure supplémentaire qui utilise des données accessibles et fiables, Barreto Martinez a pu étendre les capacités de télédétection plus loin qu'elle ne l'avait autrefois possible.
« S'attaquer à la perspective de la santé publique a été très enrichissante », a-t-elle dit, « parce qu'elle a connecté la technologie de détection à l'amélioration de la vie et de la sécurité quotidiennes des gens. »
