ИИ выявил масштабный рост цветения водорослей в Мировом океане

Крупное скопление саргассовых водорослей. Фото: Ellen Park, Woods Hole Oceanographic Institution

Искусственный интеллект помог ученым составить первую глобальную оценку плавающих водорослей, показав, что их цветение распространяется по значительной части Мирового океана.

Исследователи связывают это расширение с изменениями температуры океана, течений и уровня питательных веществ. Сдвиг может иметь серьезные последствия для морских экосистем, туризма, здоровья населения и прибрежной экономики.

Работу возглавили ученые из Университета Южной Флориды и Национального управления океанических и атмосферных исследований (NOAA). Исследование также подчеркивает, как ИИ можно использовать для обработки огромных объемов спутниковых данных, которые было бы сложно проанализировать вручную.

ИИ раскрывает глобальный сдвиг водорослей

«Хотя региональные исследования публиковались, наша работа дает первую глобальную картину плавающих водорослей, включая маты макроводорослей и скопления микроводорослей», — заявил Чуаньмин Ху, профессор океанографии в Колледже морских наук USF и старший автор статьи, опубликованной в журнале Nature Communications. «Наши результаты показывают, что Мировой океан теперь благоприятствует росту плавающих макроводорослей».

По словам Ху, макроводоросли, такие как морская трава, могут оказывать как полезное, так и вредное воздействие. В открытом океане плавающие водоросли могут формировать важные места обитания и питомники для морских видов, потенциально поддерживая рыболовство.

Проблемы возникают, когда большие объемы достигают побережья. Разлагаясь, водоросли могут наносить ущерб морской среде, угрожать здоровью людей и животных, отпугивать туристов и приводить к финансовым потерям для прибрежных сообществ.

Цветение расширяется по всему миру

Исследователи обнаружили, что и скопления микроводорослей, и маты макроводорослей увеличились в глобальном масштабе в период с 2003 по 2022 год.

Микроводоросли, плавающие на поверхности океана, росли умеренными, но статистически значимыми темпами — на один процент в год. Макроводоросли расширялись гораздо быстрее в некоторых регионах. В тропической Атлантике и западной части Тихого океана цветение увеличивалось на 13,4 процента в год, причем самый резкий рост биомассы начался после 2008 года.

Совокупная площадь, покрытая цветением микроводорослей, достигла 43,8 миллиона квадратных километров, что является явным отклонением от исторических закономерностей.

Крупные цветения появились после 2008 года

Исследователи выявили важный поворотный момент для цветения макроводорослей около 2010 года.

Первое крупное цветение зеленых водорослей Ulva появилось в Желтом море в 2008 году. Крупное цветение саргассовых водорослей развилось в тропической Атлантике в 2011 году, за которым последовало еще одно в Восточно-Китайском море в 2012 году.

«До 2008 года не сообщалось о крупных цветениях макроводорослей, за исключением саргассума в Саргассовом море», — сказал Ху. «В глобальном масштабе мы, по-видимому, наблюдаем смену режима: от океана, бедного макроводорослями, к океану, богатому ими».

Проанализировано 1,2 миллиона спутниковых снимков

Ху и его коллеги использовали искусственный интеллект для изучения 1,2 миллиона спутниковых изображений, охватывающих Мировой океан. Их анализ включал 13 географических зон и пять категорий водорослей.

Команда обучила модель глубокого обучения распознавать тонкие визуальные сигналы, связанные с водорослями, плавающими на поверхности. Эти признаки часто занимают много пикселей, но обычно составляют менее одного процента отдельного пикселя.

Линь Ци, океанограф из Центра спутниковых приложений и исследований NOAA и первый автор исследования, модифицировал компьютерную модель, ранее созданную той же исследовательской группой. Модернизированная система позволила исследователям проанализировать два десятилетия глобальных спутниковых наблюдений.

Обучение модели заняло несколько месяцев и включало миллионы элементов изображений.

Высокопроизводительные вычисления сделали исследование возможным

Исследователи отметили, что вычислительный центр USF предоставил вычислительную мощность, необходимую для проекта.

Его высокопроизводительные вычислительные системы позволили обрабатывать несколько наборов спутниковых изображений одновременно. Несмотря на эту возможность, анализ всех 1,2 миллиона изображений все равно занял несколько месяцев.

«Эта работа невозможна без высокопроизводительного вычислительного центра или долгосрочного сотрудничества между NOAA и USF», — сказал Ци.

Потепление и сток питательных веществ могут стимулировать рост

Исследование связало распространение плавающих водорослей с сочетанием деятельности человека и естественных климатических колебаний.

Сток питательных веществ, попадающий в океан, может стимулировать рост водорослей в некоторых местах, в то время как потепление вод и другие изменения, связанные с климатом, могут способствовать этому в других. Исследователи отметили, что причины, вероятно, различаются от региона к региону.

Забегая вперед, Ци сказал: «Мы собираемся изучить больше спутниковых данных и лучше понять причины расширения».

Источники:

Материалы предоставлены Университетом Южной Флориды.

Lin Qi, Menghua Wang, Brian B. Barnes, Douglas G. Capone, Joaquim I. Goes, Edward J. Carpenter, Yuyuan Xie, Chuanmin Hu. Global floating algae blooms are expanding. Nature Communications, 2025; 17 (1) DOI: 10.1038/s41467-025-66822-5