Kolor morza z poziomu satelitarnego

1. Kolor morza z poziomu satelitarnego Adam Krężel Instytut Oceanografii Zakład Oceanografii Fizycznej

3. Historia Początki: • AVCS (Advanced Vidicon Camera System na satelitach ESSA-3, 5, 7 i 9 w latach 1966-1973) • S190-192 (SKYLAB 1973) • MSS i TM na Landsatach • CZCS na satelicie NIMBUS-7 Od początku lat dziewięćdziesiątych XX wieku • szybki rozwój spowodowany pozytywnymi wynikami analizy danych rejestrowanych przez CZCS oraz wzrostem zapotrzebowania na informację o skutkach globalnych zmian klimatu na produkcję pierwotną. Na orbicie okołoziemskiej umieszczane są kolejne urządzenia: • japońskie • MESRR (Multispectral Electronic Self-Scanning Radiometer) na satelitach MOS-1 (1987) i MOS-1B (1990) oraz • VNIR (Visible and Near Infrared Radiometer) na satelicie JERS-1 (1991), • amerykańskie: • SeaWiFS (Sea-Scanning Wide Field-of-view Sensor) na satelicie OrbView 2, • MODIS (Moderate resolution Imaging Spectrometer) na satelitach Terra i Aqua • ESA • MERIS (Medium Resolution Imaging Spectrometer) na satelicie Envisat • indyjskie, koreańskie, chińskie itd. Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6

4. Podstawy fizyczne (1) • Widzialna część widma promieniowania elektromagnetycznego (0.4-0.7 µm) przydatna do badań morza • Bardzo zły stosunek sygnału do szumu • Tylko co najwyżej 15% sygnału zawiera informację o morzu Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6

5. Fizyczne podstawy satelitarnej teledetekcji morza w widzialnym przedziale widma • Źródłem naturalnego promieniowania elektromagnetycznego, które dociera do czujnika satelitarnego obserwującego powierzchnię Ziemi w widzialnym przedziale widma jest Słońce • Mamy zatem na "wejściu" spektralną gęstość stałej słonecznej, która związana jest z sygnałem rejestrowanym przez satelitę (radiacja L) równaniem przenoszenia: Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6

6. Równanie przenoszenia Ls = Ld+ TLw + TLr L s d L d b c e L r f L w ATMOSFERA MORZE a g IFOV • a - promieniowanie wychodzące spod powierzchni morza w obrębie IFOV i kierujące się po jej przejściu ku czujnikowi na satelicie; tworzy ono radiację Lw niosącą informację o właściwościach morza; • b,c - bezpośrednie i rozproszone w atmosferze promieniowanie słoneczne odbite od powierzchni morza w kierunku czujnika w obrębie IFOV; razem tworzą radiację odbitą Lr nazywaną też odblaskiem; • d,e - bezpośrednie i rozproszone promieniowanie słoneczne rozproszone w atmosferze w kierunku czujnika; daje wkład do tzw. atmosferycznej radiacji drogowej Ld; • f - promieniowanie rozproszone w atmosferze i trafiające do czujnika po odbiciu od powierzchni morza poza jego polem widzenia i ponownym rozproszeniu w jego kierunku • g - promieniowanie wychodzące spod powierzchni wody i rozproszone w kierunku czujnika w obrębie jego pola widzenia; wkład do radiacji drogowej Ld. Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6

7. Przeciętny procentowy udział podstawowych składników sygnału rejestrowanego przez satelitę w widzialnym przedziale widma Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6

8. Korekcja atmosferyczna • Transmisja, jeśli uwzględni się podstawowe składniki procesu osłabiania promieniowania, ma postać: • Dokładność wyznaczania wymienionych składników równania konieczna aby określić Lw poprzez Ls z błędem nie przekraczającym 1%: • korekcja geometryczna - 1°; • stała słoneczna E(λ) - 1%; • ozon - 0.5 g·m-2; • para wodna - 1 g·cm-2 (dla 750 nm); • τA - 14% dla 440 nm, 1% dla 750 nm; • τR - ciśnienie powietrza z dokł. 1% (10 hP) Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6

9. Korekcja atmosferyczna Przyjmuje się założenie: Jest ono słuszne jeśli indykatrysa rozpraszania na aerozolach i stosunek grubości optycznych w obu kanałach spektralnych są niezmienne w obrębie badanego obszaru. Jeśli w dodatku indykatrysa rozpraszania jest niezależna od długości fali wtedy S(λ1,λ2) można określić wzorem metoda czystej wody(clearwater subtraction technique) Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6

10. Figure 6.14. Schematic of the principle of multispectral atmospheric correction of ocean colour (Robinson 2004) Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6

11. Kolor morza(1) Radiacja opuszczająca powierzchnię morza Lw sama w sobie nie jest najlepszym wskaźnikiem właściwości fizycznych wody gdyż w dużym stopniu zależy ona także od swojego źródła, czyli padającego promieniowania słonecznego. Aby wyeliminować wpływ tego ostatniego bada się raczej tzw. współczynnik dyfuzyjnego odbicia oświetleniaR=Eu/Edczyli stosunek oświetlenia oddolnego Eu do odgórnego Ed. W przypadku gładkiej powierzchni wody, współczynnik R związany jest z radiacją Lw wyrażeniem: gdzie n – współczynnik załamania wody, ρ - fresnelowski współczynnik odbicia, θ' - kąt padania promieniowania, które wychodzi przez powierzchnię wody w kierunku θ (tzn. w kierunku satelity) Mając wartość Lw zmierzoną przez radiometr na satelicie oraz obliczając Ed możemy wyznaczyć współczynnik odbicia R. Biorąc pod uwagę, że Q i Ed słabo zależą od długości fali możemy je wyeliminować wyznaczając stosunek R w dwóch kanałach spektralnych: Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6

12. Kolor morza (2) Współczynnik R zależy od wzajemnej relacji procesów absorpcji i rozpraszania wstecz. Ustalono (Morel & Prieur 1977), że zależność: gdzie bb - współczynnik rozpraszania wstecz, jest dobrym przybliżeniem tych relacji jeśli stosunek bb/a jest mały (<0.3). Gordon i in. (1975) proponują zapis tej zależności w nieco innej formie: Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6

13. Kolor morza (3) Jeśli do wody zostanie "dodany" fitoplankton to obraz z rys. obok zostanie silnie zmodyfikowany. Poszczególne organizmy zaczną stanowić centra rozpraszające powodując zmianę współczynnika bb, a chlorofil zawarty w ich komórkach zmieni widmo absorpcji. Najbardziej istotne cechy tego widma to dwa maksima absorpcji charakterystyczne dla chlorofilu (ok. 440 i 675 nm) i "spłaszczenie" zmienności rozpraszania od długości fali światła. Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6

14. Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6

15. Kolor morza (4) - chlorofil Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6

16. Kolor morza (5) • Inny, istotny z punktu widzenia wpływu na jej właściwości optyczne, składnik wody to rozpuszczona materia organiczna w postaci tzw. substancji żółtych. Jej obecność powoduje silną absorpcję krótkofalowej (niebiesko-fioletowej) części widma. Ich obecność powoduje, że minimum absorpcji przesuwa się do środka widzialnego przedziału widma powodując żółtawe zabarwienie wody. • Trzecim składnikiem wody morskiej mającym istotny wpływ na jej kolor są zawiesiny nieorganiczne. Są to cząstki wnoszone do morza przez rzeki i atmosferę, powstające na skutek erozji brzegów i dna, ścieki antropogeniczne etc. Powodują one znaczny wzrost rozpraszania (a także absorpcji) opisywanego z dobrym przybliżeniem przez teorię Mie, które słabo zależy od długości fali światła Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6

17. Optyczna klasyfikacja wód • TYP 1 (CASE 1) • ------------------------------------------------ • 1. ŻYWE KOMÓRKI GLONÓW • różne stężenie • 2. PRODUKTY OBUMIERANIA • wydalane przez zooplanktoni naturalny rozkład • 3. ROZPUSZCZONA MATERIA ORGANICZNA • uwalniana przez glony i ich rozkład (substancje żółte) • 4. ZAWIESINA UWOLNIONA • z dna, wzdłuż brzegu i na płyciznach • 5. CZĄSTKI TERYGENICZNE • spływ rzeczny i lodowcowy • 6. ROZPUSZCZONA MATERIA ORGANICZNA • lądowe substancje żółte • 7. PRODUKTY ANTROPOGENICZNE • zawiesina i materia rozpuszczona --------------------------------------------------------------------------------------------------- TYP 2 (CASE 2) Podstawowe czynniki wpływające na właściwości optyczne wody morskiej. Wody, w których występują procesy 1, 2 i 3 określane są jako wody typu 1 (Case 1); wody, w których występuje co najmniej 1 proces z pozostałej grupy klasyfikuje się jako typ 2 (Case 2) (Gordon i Morel 1983). Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6

18. Optyczna klasyfikacja wód (2) Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6

19. Kanały spektralne Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6

20. Algorytm NASA • Stosunkowo niewielka różnorodność wód otwartego oceanu pod względem wymienionych cech w odniesieniu do wód przybrzeżnych powoduje, że algorytmy związku z kolorem dla tych pierwszych (Case 1) są znacznie pewniejsze niż w przypadku wód typu 2. Gordon i Clark jako jedni z pierwszych zauważyli, na podstawie analizy materiału satelitarnego (CZCS) i równoczesnych pomiarów in situ, że związek pomiędzy "kolorem" morza a zawartością chlorofilu w jego wodach dobrze przybliża wyrażenie: • Na podstawie doświadczeń zebranych w trakcie przygotowywania pierwszej misji satelitarnej dedykowanej do pomiarów koloru morza i analizy danych zarejestrowanych przez CZCS określono przeciętne współczynniki równania (5.13). Otrzymana postać równania określana jako algorytm NASA:

21. Algorytmy OC (SeaWiFS) W przypadku wód oligo- i mezotroficznych opracowane zostały empiryczne algorytmy wiążące koncentrację chlorofilu a ze stosunkiem współczynników zdalnie określanej reflektancji (reflektancji bezkontaktowej) w różnych kanałach spektralnych noszące nazwy OC2, OC4 (od ocean color). I tak np. algorytm OC4 polega na określeniu, który ze stosunków R(443)/R(555), R(490)/R(555) i R(510)/R(555) ma największą wartość. Po dokonaniu takiego wyboru oblicza się wartość jego logarytmu dziesiętnego (R=log10RG), a następnie koncentrację chlorofilu stosując wyrażenie: Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6

22. Algorytmy OC (MODIS) Algorytm OC3M: gdzie: Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6

23. Koncentracja chlorofilu

24. Coccolithophora (MODIS) Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6

25. Zakwit fitoplanktonu (AVHRR) Zakwit fitoplanktonu w Bałtyku 1.08.2003. AVHRR kanał 1 (lewa strona) i temperatura warstwy powierzchniowej (prawa strona) Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6

26. Zakwit fitoplanktonu

27. Nodularin vs. indeks zmętnienia • Duża korelacja pomiędzy zakwitem Nodularia spumigenai indeksem zmętnienia • System satelitarny identyfikacji zakwitu – dobre uzupełnienie dla pomiarów in situ i analiz laboratoryjnych • Stosunkowo łatwy szacunek zawartości nodularyny na dużym obszarze Source: Mazur-Marzec H., Krężel A., Kobos J., Pliński M., 2006, 10-year studies into the toxic Nodularia spumigena blooms in the coastal waters of the Gulf of Gdańsk, submitted to Oceanologia Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6

28. = + - model liniowy R a b C 1 1 = + log R a b C - model logarytmiczny 2 2 C = + R c - model Gordona 1 + a b C 3 3 - model z ujemnym współczynnikiem - = + - d C ) ( 1 R a b e 1 4 4

29. Misje - historia Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6

30. Misje – stan aktualny

31. Misje – przyszłość Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6

32. Projekt GlobColour http://www.globcolour.info/ http://www.ioccg.org Zastosowanie technik satelitarnych ..., wykład 6