塑料廢棄物在海洋中漂流、沉降，并隨著時(shí)間推移發(fā)生顏色變化、破碎及與藻類混合。有些碎片漂浮在海面，有些則隨波逐流沉入深海。

追蹤這種成分復(fù)雜的物質(zhì)聽起來幾乎是一項(xiàng)不可能完成的任務(wù)。最新研究表明，通過精確的光學(xué)測量并結(jié)合太空傳感器技術(shù)，可以顯著提高塑料探測的準(zhǔn)確性。

佐治亞大學(xué)的研究人員阿什利·奧霍爾與其團(tuán)隊(duì)近期圍繞一個(gè)名為“海洋垃圾高光譜參考庫”的大型開放數(shù)據(jù)庫展開工作，為塑料探測提供了重要的科學(xué)支撐。

奧霍爾表示：“我最大的希望是人們能將遙感技術(shù)視為監(jiān)測海洋垃圾的重要且實(shí)用的工具。僅僅因?yàn)槟壳吧形磳?shí)現(xiàn)，并不意味著它無法實(shí)現(xiàn)?！?/strong>

海洋垃圾涵蓋了遺留在水體環(huán)境中的所有人造固體物質(zhì)。由于塑料產(chǎn)品產(chǎn)量激增且缺乏完善的廢物處理系統(tǒng)，塑料在大多數(shù)垃圾調(diào)查中占據(jù)主導(dǎo)地位。

這種污染不僅破壞生態(tài)系統(tǒng)，還威脅漁業(yè)、旅游業(yè)及人類健康。遙感技術(shù)為大范圍觀測垃圾提供了一種途徑。

塑料碎片在顏色、尺寸、聚合物類型、形狀、風(fēng)化程度及所處水體環(huán)境上千差萬別。這些差異會(huì)改變光線在物體表面的反射方式。若缺乏標(biāo)準(zhǔn)化的方法，建立可靠的探測系統(tǒng)將困難重重。

“海洋垃圾高光譜參考庫” 正是為了解決這一難題而生。該數(shù)據(jù)庫包含了來自13個(gè)獨(dú)立數(shù)據(jù)集、共計(jì)3032個(gè)垃圾樣本的24889條反射光譜。每一次測量數(shù)據(jù)在被納入庫中之前，都經(jīng)過了仔細(xì)的清理、標(biāo)準(zhǔn)化及質(zhì)量檢查。

研究合著者凱爾西·比森表示：“探測海洋垃圾正是美國國家航空航天局能夠協(xié)助解決的那種極具挑戰(zhàn)性的難題?！?/p>

反射率衡量的是物體反射光線的多少。每種材料在可見光到短波紅外線的波長范圍內(nèi)，都會(huì)形成獨(dú)特的“指紋”圖案。

研究人員在受控條件下使用手持式光譜輻射計(jì)收集數(shù)據(jù)，以減少環(huán)境噪音的干擾。該數(shù)據(jù)庫涵蓋了19種不同的聚合物類型，其中聚丙烯、聚苯乙烯和高密度聚乙烯最為常見。

一些塑料在短波紅外波段表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸收特征，而另一些則產(chǎn)生更為微妙的光譜模式。

顏色主要改變400到700納米之間可見光波段的反射率，藍(lán)色物體的峰值通常出現(xiàn)在470納米附近。白色物體在可見光范圍內(nèi)反射強(qiáng)烈。相比之下，即使顏色發(fā)生變化，聚合物相關(guān)的特征在紅外波段仍保持相似。

“人類與海洋及其健康有著發(fā)自內(nèi)心的聯(lián)系，”比森說道。

該數(shù)據(jù)庫將垃圾分為微型和宏觀兩類。對于特定的聚合物，其在紅外波段的關(guān)鍵吸收特征在不同尺寸下保持一致。

真正發(fā)生變化的是整體反射強(qiáng)度，這意味著尺寸對信號幅度的影響大于對其光譜特征位置的影響。

風(fēng)化作用同樣扮演著重要角色。樣本被分為原始、實(shí)驗(yàn)室風(fēng)化及自然風(fēng)化三組。實(shí)驗(yàn)室中的紫外線輻射暴露增加了某些紅外區(qū)域的反射率。

生物污損——即藻類和微生物在塑料表面的堆積——會(huì)降低可見光波段的反射率，并在670納米附近引入葉綠素吸收特征。即便表面有生物生長，核心聚合物的信號在紅外波段依然保持穩(wěn)定。

水的存在改變了一切。數(shù)據(jù)庫將樣本分為干燥、潮濕、漂浮及沉沒四類。

隨著水體干擾的增加，反射率隨之下降。由于水在紅外區(qū)域有強(qiáng)烈的吸收作用，沉沒物體會(huì)丟失大量紅外信號。

沉沒的塑料在810納米和1070納米附近顯示出特殊的峰值，且信號隨著深度的增加而減弱。這些發(fā)現(xiàn)表明，針對漂浮垃圾與沉沒垃圾，可能需要開發(fā)截然不同的探測算法。對于漂浮或干燥的垃圾，短波紅外波段能提供強(qiáng)有力的聚合物特定信息。

準(zhǔn)確的探測不僅依賴于反射模式，還取決于每個(gè)樣本詳細(xì)的背景信息?！昂Ｑ罄吖庾V參考庫” 包含諸如聚合物類型、物體類型、物體狀態(tài)、顏色類別、尺寸、風(fēng)化條件、含水狀態(tài)及測量設(shè)置等元數(shù)據(jù)。

研究人員建議未來的研究應(yīng)記錄更多細(xì)節(jié)。關(guān)于塑料制造中使用的添加劑、風(fēng)化程度及確切測量條件的信息，均能提升算法的性能。

清晰的元數(shù)據(jù)有助于科學(xué)家通過對比不同研究的結(jié)果，構(gòu)建更強(qiáng)大的探測系統(tǒng)。

該研究也突顯了數(shù)據(jù)覆蓋的空白。某些聚合物和顏色仍缺乏代表性。盡管衛(wèi)星更容易探測到漂浮垃圾，但這類樣本在數(shù)據(jù)庫中的出現(xiàn)頻率卻較低。

研究人員鼓勵(lì)對漂浮塑料進(jìn)行更多測量，并涵蓋更廣泛的垃圾類型，以構(gòu)建更穩(wěn)健的算法。標(biāo)準(zhǔn)化的光譜庫將為機(jī)器學(xué)習(xí)工具、衛(wèi)星任務(wù)及海洋模型提供支持。

塑料污染已在行星尺度上遍布各大洋。像“地表礦物粉塵源調(diào)查”這樣的太空傳感器，結(jié)合如 MADLib 這樣詳細(xì)的光譜庫，正推動(dòng)科學(xué)界向著從源頭到海岸線全程追蹤垃圾的目標(biāo)邁進(jìn)。

更優(yōu)質(zhì)的數(shù)據(jù)將引導(dǎo)更明智的清理工作、更強(qiáng)有力的政策，以及為子孫后代留存更健康的海洋。

該研究已發(fā)表在《地球系統(tǒng)科學(xué)數(shù)據(jù)》期刊上。