给海洋塑料办“身份证”！科学家建立光谱库，靠卫星就能精准抓捕

塑料废弃物在海洋中漂流、沉降，并随着时间推移发生颜色变化、破碎及与藻类混合。有些碎片漂浮在海面，有些则随波逐流沉入深海。

追踪这种成分复杂的物质听起来几乎是一项不可能完成的任务。最新研究表明，通过精确的光学测量并结合太空传感器技术，可以显著提高塑料探测的准确性。

佐治亚大学的研究人员阿什利·奥霍尔与其团队近期围绕一个名为“海洋垃圾高光谱参考库”的大型开放数据库展开工作，为塑料探测提供了重要的科学支撑。

奥霍尔表示：“我最大的希望是人们能将遥感技术视为监测海洋垃圾的重要且实用的工具。仅仅因为目前尚未实现，并不意味着它无法实现。”

海洋垃圾涵盖了遗留在水体环境中的所有人造固体物质。由于塑料产品产量激增且缺乏完善的废物处理系统，塑料在大多数垃圾调查中占据主导地位。

这种污染不仅破坏生态系统，还威胁渔业、旅游业及人类健康。遥感技术为大范围观测垃圾提供了一种途径。

塑料碎片在颜色、尺寸、聚合物类型、形状、风化程度及所处水体环境上千差万别。这些差异会改变光线在物体表面的反射方式。若缺乏标准化的方法，建立可靠的探测系统将困难重重。

“海洋垃圾高光谱参考库” 正是为了解决这一难题而生。该数据库包含了来自13个独立数据集、共计3032个垃圾样本的24889条反射光谱。每一次测量数据在被纳入库中之前，都经过了仔细的清理、标准化及质量检查。

研究合著者凯尔西·比森表示：“探测海洋垃圾正是美国国家航空航天局能够协助解决的那种极具挑战性的难题。”

反射率衡量的是物体反射光线的多少。每种材料在可见光到短波红外线的波长范围内，都会形成独特的“指纹”图案。

研究人员在受控条件下使用手持式光谱辐射计收集数据，以减少环境噪音的干扰。该数据库涵盖了19种不同的聚合物类型，其中聚丙烯、聚苯乙烯和高密度聚乙烯最为常见。

一些塑料在短波红外波段表现出强烈的吸收特征，而另一些则产生更为微妙的光谱模式。

颜色主要改变400到700纳米之间可见光波段的反射率，蓝色物体的峰值通常出现在470纳米附近。白色物体在可见光范围内反射强烈。相比之下，即使颜色发生变化，聚合物相关的特征在红外波段仍保持相似。

“人类与海洋及其健康有着发自内心的联系，”比森说道。

该数据库将垃圾分为微型和宏观两类。对于特定的聚合物，其在红外波段的关键吸收特征在不同尺寸下保持一致。

真正发生变化的是整体反射强度，这意味着尺寸对信号幅度的影响大于对其光谱特征位置的影响。

风化作用同样扮演着重要角色。样本被分为原始、实验室风化及自然风化三组。实验室中的紫外线辐射暴露增加了某些红外区域的反射率。

生物污损——即藻类和微生物在塑料表面的堆积——会降低可见光波段的反射率，并在670纳米附近引入叶绿素吸收特征。即便表面有生物生长，核心聚合物的信号在红外波段依然保持稳定。

水的存在改变了一切。数据库将样本分为干燥、潮湿、漂浮及沉没四类。

随着水体干扰的增加，反射率随之下降。由于水在红外区域有强烈的吸收作用，沉没物体会丢失大量红外信号。

沉没的塑料在810纳米和1070纳米附近显示出特殊的峰值，且信号随着深度的增加而减弱。这些发现表明，针对漂浮垃圾与沉没垃圾，可能需要开发截然不同的探测算法。对于漂浮或干燥的垃圾，短波红外波段能提供强有力的聚合物特定信息。

准确的探测不仅依赖于反射模式，还取决于每个样本详细的背景信息。“海洋垃圾高光谱参考库” 包含诸如聚合物类型、物体类型、物体状态、颜色类别、尺寸、风化条件、含水状态及测量设置等元数据。

研究人员建议未来的研究应记录更多细节。关于塑料制造中使用的添加剂、风化程度及确切测量条件的信息，均能提升算法的性能。

清晰的元数据有助于科学家通过对比不同研究的结果，构建更强大的探测系统。

该研究也突显了数据覆盖的空白。某些聚合物和颜色仍缺乏代表性。尽管卫星更容易探测到漂浮垃圾，但这类样本在数据库中的出现频率却较低。

研究人员鼓励对漂浮塑料进行更多测量，并涵盖更广泛的垃圾类型，以构建更稳健的算法。标准化的光谱库将为机器学习工具、卫星任务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“地表矿物粉尘源调查”这样的太空传感器，结合如 MADLib 这样详细的光谱库，正推动科学界向着从源头到海岸线全程追踪垃圾的目标迈进。

更优质的数据将引导更明智的清理工作、更强有力的政策，以及为子孙后代留存更健康的海洋。

该研究已发表在《地球系统科学数据》期刊上。