Teledetekcja mikrofalowa pasywna

1. Teledetekcja mikrofalowa pasywna Adam Krężel Instytut Oceanografii, Uniwersytet Gdański

2. Podstawy fizyczne (1) • Sygnał bardzo słaby ale niezakłócony przez chmury i aerozole • Emisja promieniowania w zakresie mikrofalowym zależy od kształtu i właściwości dielektrycznych powierzchni • Wielkość emisji opisuje prawo Plancka: Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7

3. Podstawy fizyczne (2) W przypadku promieniowania mikrofalowego: hf/kT«1 ➨ exp(hf/kT) 1+hf/kT Przybliżenie Rayleigh’a-Jeansa Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7

4. Antena mikrofalowa (1) Lf (, ) z dω G(, )  płat główny AeG(θ,φ) – zysk antenowy G(θ,φ) – znormalizowana, kierunkowa charakterystyka odbioru Ae– efektywna powierzchnia anteny: płaty boczne • Charakter kierunkowy • Odbiór promieniowania tylko w jednej płaszczyźnie polaryzacji A y e  x Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7

5. Antena mikrofalowa (2) Całkowita moc rejestrowana przez antenę mikrofalową w przedziale f+Δf Jeśli powierzchnia emitera położonego w kierunku (θ,) w stosunku do anteny ma temperaturę T(θ,) to: założono szerokość pasma Δf wystarczająco małą aby można było przyjąć pewne średnie wartości λ, T, ε i G i opuścić całkowanie po f Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7

6. Antena mikrofalowa (3) Temperatura radiacyjna emitera TB(θ,)=ε( θ,)T(θ,). Jeśli TB nie zmienia się w zależności od kierunku (θ,) to moc rejestrowana przez antenę: W rzeczywistości TB zmienia się ze zmianą kierunku obserwacji i ostatecznie wyrażenie powyższe zapisuje się zamieniając TB przez TA, wielkość zwaną temperaturą antenową Jeśli temperatura obiektu jest stała w obrębie całej obserwowanej powierzchni wtedy TB=TA, w przeciwnym razie zależność między nimi ma postać Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7

7. Atmosfera Rys. 6. Robinson (1985) Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7

8. Rozdzielczość • Wielkość najmniejszego obszaru, w obrębie którego powstaje sygnał rejestrowany przez antenę na pokładzie satelity (rozmiar piksela), zależy od: • rozmiaru anteny (D - średnica anteny), • wysokości orbity (h) • długości fali radarowej (λ) • Przy częstotliwości 1 Ghz (30 cm): • wysokości orbity h=1000 km i średnicy anteny 6 m, otrzymamy wielkość piksela d=50 km, • dla f=1.5 Ghz (19 cm), h=500 km i D=100 m wartość d wyniesie 1 km Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7

9. Emisyjność (1) Prawo zachowania energii wymaga aby suma emisyjności powierzchni i reflektancji była równa 1 (ε+R=1). Czyli: Zakładając TA = 50 K otrzymamy dla lądu i morza: Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7

10. Emisyjność (2) Emisyjność danego obiektu, może zależeć od wielu różnych czynników. Emisyjność powierzchni wody rośnie ze wzrostem prędkości wiatru czyli “wietrzne” rejony będą “cieplejsze” od tych, nad którymi prędkość wiatru jest mniejsza. Wartości emisyjności silnie zależą także od częstotliwości fali radarowej (rys.). W przypadku kiedy jest ona poniżej 4 GHz zależą także od zasolenia. Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7

11. Temperatura i zasolenie http://podaac-opendap.jpl.nasa.gov/ Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7

12. Zasolenie • Temperatura radiacyjna powierzchni oceanu w zakresie niskich częstotliwości (0.5-1.5 GHz) jest funkcją temperatury powierzchni morza (SST) i jego zasolenia (SSS) • W przedziale zmienności 30-40 PSU zależność Tb(SSS) ma dla danej temperatury charakter liniowy: największa jest przy wysokich wartościach SST (0.7K/PSU przy 30°C), a mniejsza przy niskich (0.3K/PSU przy 0°C) Ta prosta zależność jest komplikowana przez kilka czynników • falowanie wiatrowe ~0-5 K • emisję przestrzeni kosmicznej ~2-8 K • emisję atmosfery ~2.4-2.8 K • emisję pary wodnej i wody ciekłej • rotację Faradaya przy przejściu przez jonosferę Algorytm SSS: • Określenie Tb powierzchni morza poprawione o „efekt jonosfery” • Uwzględnienie „szorstkości” powierzchni morza • Obliczenie SSS na postawie skorygowanej wartości Tb Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7

13. Zasolenie (SMOS) SMOS (ESA) • Mikrofalowy, pasywny interferometr 2D (pasmo L (21 cm, 1.4 GHz) • Mikrofalowy radiometr obrazujący z anteną syntetyzowaną MIRAS(Microwave Imaging Radiometer using Aperture Synthesis) • Orbita 763 km heliosynchroniczna, dawn/dusk, godz. 6 czasu lokalnego, wstępująca • Data startu: listopad 2009 • Powtarzalność 3 dni, rozdzielczość przestrzenna 43 km • Produkty: miesięczne i roczne mapy globalnego zasolenia o dokładności 0.2 PSU i rozdzielczości przestrzennej 150km SMOS - Soil Moisture and Ocean Salinity http://www.salinityremotesensing.ifremer.fr/activities/smos/data/l3

14. Zasolenie (SMOS) Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7

15. Zasolenie (Aquarius) Aquarius (NASA) • Mikrofalowy radiometr pasywny (pasmo L, 1.4 GHz) • L-Bandskaterometr pracujący na częstotliwości 1.2 GHz, o antenie rzeczywistej i 2.5-metrowej compositereflectorantenna • Tryb pracy: aktywny/pasywny w paśmie L, typ push-broom wykorzystujący 3-wiązkową antenę • Orbita657km, heliosynchroniczna, dawn/dusk, godz. 6 czasu lokalnego, wstępująca • Data startu : czerwiec 2011 • Produkty: tygodniowe, miesięczne i roczne globalne mapy zasolenia z dokładnością 0.2 PSU i rozdzielczości przestrzennej 150 km Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7

16. Zasolenie Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7

17. Temperatura powierzchni morza • (SST) jest określana na podstawie danych rejestrowanych w kanałąch 6 GHz i 10 GHz o polaryzacji pionowej, przy dodatkowym wykorzystaniu kanałów spektralnych: 37 GHz V i H, 23 V, 6H i 10H. Procedura obejmuje: • korekcję kąta padania • korekcję atmosferyczną związaną z obecnością w niej pary wodnej i wody tworzącej chmury • poprawkę na wiatr • identyfikację lądu • usunięcie danych z obszarów bezpośredniego odbicia promieniowania słonecznego • poprawkę na zasolenie • usunięcie danych z obszarów pokrytych lodem • konwersję do SST • określenie średniej kroczacej SST • Dokładność określenia SST ocenia się na 0.5 - 0.7°C w porównaniu z danym z boi pomiarowych Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7

18. SMMR (SeaSat, Nimbus 7), SSM/I (DMSP) Algorytm do określania koncentracji lodu jednorocznego - CF i wieloletniego - CM wykorzystuje kanały 19.35 i 37 GHz w obu polaryzacjach: Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7

19. SSM/I - lód http://www.flashbackimaging.com/ssm_i_animation_cd.htm

21. Prędkość wiatru przywodnego Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7

22. SSM/I - http://www.remss.com/ssmi/ Aktualnie: F13, F14 i F15 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7

23. AMSR-E http://www.remss.com/amsr/ • AMSR-E (Advanced Microwave Scanning Radiometer) umieszczony na orbicie 4 maja 2002, na pokładzie satelity Aqua. Właścicielem radiometru jest NASDA (National Space Development Agency of Japan) Urządzenie przeznaczone jest do pomiaru następujących parametrów: • Temperatury powierzchni morza (SST), • Prędkości wiatru, • Zawartości pary wodnej w atmosferze, • Zawartości wody w chmurach, • Wielkości opadów. • Podstawową zaletą AMSR-E jest zdolność do wykonywania pomiarów bez względu na obecność chmur tzn. dostarczania ciągłych informacji o polach SST i prędkości wiatru nad powierzchnią morza Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7

24. AMSR-E - Daily and Time Composite Data • Dane są przetwarzane do regularnej siatki zgodnie z czasem pomiaru i udostępniane z informacją o tym czasie podaną w czasie uniwersalnym (UTC), określanym też jako Greenwich Mean Time (GMT), Zulu Time (Z), Universal Time (UT) i World Time. • Rozpowszechniane też są w postaci dziennych i uśrednianych w innych okresach rozkładów: • Dzienne - w siatce o rozdzielczości 0.25 stopnia w postaci dwóch map reprezentujących przeloty wstępujące i zstępujące, a w wysokich szerokościach nałożone na siebie dane • 3-dniowe średnie • Tygodniowe średnie – z tygodnia kończącego się w sobotę • Miesięczne średnie – powstałe z uśrednienia wszystkich danych zarejestrowanych w miesiącu Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7

25. AMSR-E - Geophysical Data Products • Temperatura powierzchni morza (SST) temperatura warstwy naskórkowej o miąższości ok. 1 mm z pominięciem obszarów bezpośredniego odbicia słonecznego, deszczu, lodu i miejsc gdzie prędkość wiatru przywodnego była > 20 m/s) • Prędkość wiatru przywodnego (WSPD) prędkość wiatru 10 m nad powierzchnią morza, określana na podstawie szorstkości powierzchni morza z pominięciem obszarów bezpośredniego odbicia słonecznego, deszczu i lodu morskiego • Zawartość pary wodnej w atmosferze (VAPOR) całkowita zawartość pary wodnej w pionowej kolumnie atmosfery z pominięciem obszarów intensywnego deszczu • Zawartość wody w chmurach (CLOUD) całkowita zawartość wody w chmurach z pominięciem chmur zbudowanych z wody w stanie stałym (śnieg i lód) • Deszcz (RAIN) intensywność opadów z pominięciem tworzonych przez wodę w stanie stałym (śnieg, lód) Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7

26. Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7

27. Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7

28. Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7

29. Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7

30. Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7

31. AMSR-E – lódhttp://iup.physik.uni-bremen.de:8084/amsr/amsre.html