給海洋塑料辦“身份證”！科學家建立光譜庫，靠衛星就能精準抓捕

塑料廢棄物在海洋中漂流、沉降，并隨著時間推移發生顏色變化、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。

追蹤這種成分復雜的物質聽起來幾乎是一項不可能完成的任務。最新研究表明，通過精確的光學測量并結合太空傳感器技術，可以顯著提高塑料探測的準確性。

佐治亞大學的研究人員阿什利·奧霍爾與其團隊近期圍繞一個名為“海洋垃圾高光譜參考庫”的大型開放數據庫展開工作，為塑料探測提供了重要的科學支撐。

奧霍爾表示：“我最大的希望是人們能將遙感技術視為監測海洋垃圾的重要且實用的工具。僅僅因為目前尚未實現，并不意味著它無法實現。”

海洋垃圾涵蓋了遺留在水體環境中的所有人造固體物質。由于塑料產品產量激增且缺乏完善的廢物處理系統，塑料在大多數垃圾調查中占據主導地位。

這種污染不僅破壞生態系統，還威脅漁業、旅游業及人類健康。遙感技術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、風化程度及所處水體環境上千差萬別。這些差異會改變光線在物體表面的反射方式。若缺乏標準化的方法，建立可靠的探測系統將困難重重。

“海洋垃圾高光譜參考庫” 正是為了解決這一難題而生。該數據庫包含了來自13個獨立數據集、共計3032個垃圾樣本的24889條反射光譜。每一次測量數據在被納入庫中之前，都經過了仔細的清理、標準化及質量檢查。

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助解決的那種極具挑戰性的難題。”

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，都會形成獨特的“指紋”圖案。

研究人員在受控條件下使用手持式光譜輻射計收集數據，以減少環境噪音的干擾。該數據庫涵蓋了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出強烈的吸收特征，而另一些則產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，藍色物體的峰值通常出現在470納米附近。白色物體在可見光范圍內反射強烈。相比之下，即使顏色發生變化，聚合物相關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自內心的聯系，”比森說道。

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

真正發生變化的是整體反射強度，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。

風化作用同樣扮演著重要角色。樣本被分為原始、實驗室風化及自然風化三組。實驗室中的紫外線輻射暴露增加了某些紅外區域的反射率。

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定。

水的存在改變了一切。數據庫將樣本分為干燥、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。由于水在紅外區域有強烈的吸收作用，沉沒物體會丟失大量紅外信號。

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。這些發現表明，針對漂浮垃圾與沉沒垃圾，可能需要開發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有力的聚合物特定信息。

準確的探測不僅依賴于反射模式，還取決于每個樣本詳細的背景信息。“海洋垃圾高光譜參考庫” 包含諸如聚合物類型、物體類型、物體狀態、顏色類別、尺寸、風化條件、含水狀態及測量設置等元數據。

研究人員建議未來的研究應記錄更多細節。關于塑料制造中使用的添加劑、風化程度及確切測量條件的信息，均能提升算法的性能。

清晰的元數據有助于科學家通過對比不同研究的結果，構建更強大的探測系統。

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

研究人員鼓勵對漂浮塑料進行更多測量，并涵蓋更廣泛的垃圾類型，以構建更穩健的算法。標準化的光譜庫將為機器學習工具、衛星任務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“地表礦物粉塵源調查”這樣的太空傳感器，結合如 MADLib 這樣詳細的光譜庫，正推動科學界向著從源頭到海岸線全程追蹤垃圾的目標邁進。

更優質的數據將引導更明智的清理工作、更強有力的政策，以及為子孫后代留存更健康的海洋。

該研究已發表在《地球系統科學數據》期刊上。