NASA-KI erkennt schädliche Algenblüten früher

Schädliche Algenblüten können aus einem gewöhnlichen Tag am Strand rasch ein Problem für die öffentliche Gesundheit machen. Manche Blüten töten Fische und Meeressäuger, andere beeinträchtigen die Atemluft.

Schwere Ausbrüche können zudem die Muschelernte, den Tourismus und weitere Küstenbetriebe lahmlegen, die auf sauberes Wasser angewiesen sind.

Entscheidend ist der Zeitpunkt: Wenn Menschen verfärbtes Wasser oder tote Fische bemerken, kann sich die Algenblüte bereits ausbreiten.

Wasseruntersuchungen erfordern weiterhin Boote, Probenahmen und Laborarbeit – oft folgt darauf eine Wartezeit von einem Tag oder länger.

Küstengemeinden stehen daher vor einer schwierigen Frage: Wo sollten sie zuerst suchen?

Bedarf an früherer Erkennung

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der NASA haben ein KI-Werkzeug entwickelt, das bei der Beantwortung dieser Frage helfen könnte.

Das Werkzeug verknüpfte Daten mehrerer Satelliten und erkannte schädliche Algenblüten in Westflorida sowie in Südkalifornien.

Starke Blüten können Gesundheitsgefahren verursachen und die Küstenwirtschaft der Vereinigten Staaten jedes Jahr mehrere zehn Millionen US-Dollar kosten.

Gemeinden in Florida, etwa in der Tampa Bay und in Sarasota, kämpfen seit Jahrzehnten mit schädlichen Algenblüten.

Im Golf von Mexiko kann die Algenart Karenia brevis Rote-Tide-Ereignisse auslösen. Diese töten Wildtiere, verschmutzen Strände und führen bei Schwimmern und Strandbesuchern zu Atemwegsproblemen.

An der Westküste haben Blüten von Pseudo-nitzschia in den vergangenen Jahren Hunderte Delfine, Kalifornische Seelöwen und andere Meerestiere vergiftet.

Einige Algentoxine können sogar in die Luft gelangen und beim Menschen Atemwegserkrankungen hervorrufen.

Werkzeuge zur Erkennung von Algenblüten

Satelliten unterstützen bereits die Beobachtung von Blüten aus dem All, doch Küstengewässer sind komplex. Sedimente, Abflusswasser, Pflanzen, flache Gewässerböden und wechselnde Lichtverhältnisse können die Auswertung erschweren.

Ein Satellit erfasst möglicherweise einen Hinweis, ein anderer einen ganz anderen. Die Herausforderung besteht darin, diese Hinweise zusammenzuführen.

Zum Forschungsteam gehörten Michelle Gierach vom Jet Propulsion Laboratory der NASA in Südkalifornien, Kelly Luis von NASA JPL und Nick LaHaye von Spatial Informatics Group.

Sie bündelten Erkenntnisse aus fünf Weltraummissionen oder Instrumenten, darunter der NASA-Satellit PACE und TROPOMI.

PACE kann Algengemeinschaften anhand von Merkmalen wie Größe, Form und Pigmenten bestimmen. TROPOMI kann das schwache rote Leuchten erfassen, das manche Algen während der Photosynthese abgeben.

Gemeinsam können diese Werkzeuge nicht nur anzeigen, dass sich etwas im Wasser befindet, sondern auch, welche Art von Algenblüte entstehen könnte.

Training des KI-Systems

Das Team setzte ein selbstüberwachtes System des maschinellen Lernens ein. Die KI lernte dabei Muster aus umfangreichen Satellitendatenströmen, ohne dass Menschen zunächst jedes einzelne Beispiel kennzeichnen mussten.

Messungen im Feld und im Labor halfen anschließend dabei, diese Muster mit realen Bedingungen zu verknüpfen.

Das System wurde mit Satellitendaten aus den Jahren 2018 und 2019 trainiert. Anschließend testeten die Forschenden es mit späteren Zeiträumen in denselben Regionen.

Erste Ergebnisse zeigten, dass das Werkzeug schädliche Blüten, einschließlich bestimmter Arten wie K. brevis, selbst in komplexen Küstengewässern korrekt erkennen und kartieren konnte.

„Zumindest kann uns ein solches Werkzeug dabei helfen zu wissen, wo und wann wir Wasserproben nehmen sollten, wenn eine Algenblüte beginnt“, sagte Gierach.

„Es kann außerdem die Zusammenarbeit zwischen Fachleuten vorantreiben, neue Wege für die wissenschaftliche Arbeit fördern und Entscheidungsunterstützungsprodukte bereitstellen.“

Bessere Warnungen, weniger blinde Flecken

Gesundheitsbehörden untersuchen Gewässer bereits und geben bei Bedarf Warnungen heraus oder schließen Strände. Während der Blütensaison erstellt auch die NOAA gemeinsam mit Bundesstaaten und lokalen Partnern Prognosen zu schädlichen Algenblüten.

KI soll diese Maßnahmen nicht ersetzen. Sie könnte jedoch früher auf die richtigen Gebiete hinweisen.

„Die Anwendung selbstüberwachter KI auf riesige Ströme von Satellitendaten entwickelt sich rasch zu einem leistungsstarken Werkzeug, um verwertbare Informationen über die Ozeane zu erzeugen“, sagte Nadya Vinogradova Shiffer, leitende Programmwissenschaftlerin am NASA-Hauptquartier in Washington.

Das Ziel sind „lückenlose Karten“. Kein einzelner Satellit kann alles erfassen, und keine Bootsbesatzung kann jeden Küstenabschnitt beproben.

Die Verbindung weltraumgestützter Beobachtungen mit Wasserproben könnte Verantwortlichen jedoch ein deutlich klareres Bild vermitteln, bevor eine schädliche Algenblüte zu einer größeren Krise wird.

Weiterreichende Folgen der Forschung

Das Team verbessert das Werkzeug mit zusätzlichen Daten von weiteren Küstenabschnitten. Außerdem soll es in anderen Gewässern, einschließlich Seen, getestet werden.

Die Forschung betrifft Trinkwasser, Fischerei, Aquakultur und lokale Wirtschaftszweige weit über Meeresstrände hinaus.

„Ziel dieser Arbeit ist es, Technologien zu verbinden, um Endnutzer und ihre Bedürfnisse besser zu unterstützen – von der Aquakultur bis zum Tourismus“, sagte Luis.

„Dafür werden wir alle Ressourcen der NASA einbringen.“

Für Küstengemeinden ist das Ziel einfach: früher Bescheid wissen, schneller reagieren und weniger Zeit damit verlieren, zu erraten, wo Probleme ihren Anfang nehmen.

Die vollständige Studie wurde in der Fachzeitschrift AGU Earth and Space Science veröffentlicht.

Bildnachweis: NASA/USGS