Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Pobieranie prezentacji. Proszę czekać

Teledetekcja mikrofalowa aktywna altymetria Adam Krężel Instytut Oceanografii, Uniwersytet Gdański.

Podobne prezentacje


Prezentacja na temat: "Teledetekcja mikrofalowa aktywna altymetria Adam Krężel Instytut Oceanografii, Uniwersytet Gdański."— Zapis prezentacji:

1 Teledetekcja mikrofalowa aktywna altymetria Adam Krężel Instytut Oceanografii, Uniwersytet Gdański

2 Radary satelitarne Altymetry, najbardziej zbliżone do tradycyjnego pojmowania radaru tzn. określające odległość od satelity do powierzchni morza na zasadzie pomiaru czasu między wysłaniem impulsu a odebraniem jego echa Skaterometry mierzą energię mikrofalową odbitą od fal generowanych przez wiatr. Siła wiatru określana jest na podstawie pomiaru amplitudy odbitego sygnału, a jego kierunek przez złożenie informacji z kilku anten. Radary obrazujące tworzące obraz powierzchni Ziemi na zasadzie skanowania linia po linii; rejestrowany sygnał jest echem promieniowania generowanego przez samego satelitę i zmodyfikowanego przez powierzchnię, od której się odbiło 2 Satelitarne systemy..., wykład 8

3 Satelitarna altymetria radarowa Zasada działania altymetru radarowego sprowadza się do precyzyjnego określenia pozycji satelity względem Ziemi oraz pomiaru odległości pomiędzy powierzchnią morza i satelitą oraz pomiędzy środkiem Ziemi i satelitą poziom morzaRóżnica pomiędzy tymi wielkościami jest wysokością poziomu morza w stosunku do środka Ziemi i popularnie określana jest jako poziom morza geoidyGdyby ocean światowy znajdował się w idealnym bezruchu, jego poziom byłby powierzchnią o stałym potencjale grawitacyjnym tzn. powierzchnią geoidy 3 Satelitarne systemy..., wykład 8

4 Satelitarna altymetria radarowa (2) Mapa odchyleń powierzchni morza od geoidy po eliminacji takich efektów jak 1)pływy oceaniczne, 2)zmienne pole ciśnienia atmosferycznego, 3)spiętrzenia wiatrowe dynamiczna topografia oceanu jest określana jako dynamiczna topografia oceanu. Gradient tej powierzchni jest proporcjonalny do prędkości wolnozmiennych, wielkoskalowych prądów oceanicznych (tzw. prądów geostroficznych). 4 Satelitarne systemy..., wykład 8

5 Satelitarna altymetria radarowa (3) topografii Podobnie jak kierunek i prędkość wiatru, które mogą być określane na podstawie znajomości rozkładu ciśnienia atmosferycznego, tak prądy morskie wynikają z różnicy ciśnień w oceanie, która znajduje swoje odzwierciedlenie w tzw. poziomie morza czyli topografii powierzchni morza. Prędkość prądu w oceanie można policzyć na podstawie znajomości nachylenia jego powierzchni. Im cieplejsza woda w oceanie tym wyższy jej poziom, a więc zmiana w topografii. Możliwość pomiaru topografii morza umożliwia studiowanie: cyrkulacji oceanicznej cyrkulacji oceanicznej bilansu cieplnego morza bilansu cieplnego morza (regularne pomiary topografii oceanu mogą być dużą pomocą w przewidywaniu tak krótkoterminowych zmian pogody, jak i zmian klimatycznych) 5 Satelitarne systemy..., wykład 8

6 Satelitarna altymetria radarowa (4) Altymetr wykonuje swoje zadanie poprzez pomiar czasu jaki upływa od momentu wysłania sygnału przez satelitę w kierunku morza (w nadir) do chwili jego powrotu po odbiciu od powierzchni morza. Aby ten pomiar mógł być wykorzystany do analizy cyrkulacji oceanicznej, kształt geoidy musi być znany z dokładnością poniżej 10 cm (na 100 km) i 1 cm (na 1000 km). Konieczność określenia odległości rzędu 800 km z dokładnością do kilku cm. Przeciętny czas powrotu sygnału w atmosferze ziemskiej na wysokość 500 km wynosi ok. 3 ms. Aby określić odległość jaką przebył z dokładnością do 1 cm, czas musi być mierzony z dokładnością do 30 ps (3· s). Konieczność określenia wpływu stanu atmosfery na prędkość rozchodzenia się wiązki sygnałowej i jej modyfikacji przy odbiciu od powierzchni morza. Wymagania te sprawiają, że współczesne altymetry pracują na częstotliwości ok GHz (pasmo Ku), przy szerokości pasma ok. 300 MHz, a ostatnio nawet 37 GHz (pasmo Ka). Wielkość piksela zależy od czasu trwania impulsu, wysokości orbity, kierunkowej charakterystyki anteny, a także stopnia sfalowania powierzchni morza. 6 Satelitarne systemy..., wykład 8

7 Satelitarna altymetria radarowa (5) W celu określenia pozycji satelity w przestrzeni kosmicznej w stosunku do środka ciężkości Ziemi z dokładnością do cm, zazwyczaj stosuje się co najmniej dwa, a najczęściej więcej niezależnych systemów (np. satelita Jason 1 posiada 3 systemy): –DORIS ( Doppler Orbitography and Radio-positioning Integrated by Satellite ) (60 stacji naziemnych), –GPS –LRA ( radar retroreflector array ). Najnowsze eksperymenty, w celu zwiększenia dokładności i wiarygodności pomiaru zakładają też wykorzystanie do pomiarów równocześnie dwóch satelitów podążających w bardzo niewielkiej odległości jeden za drugim. Jako przykład można podać misje TOPEX/Posejdon i Jason 1; ten ostatni podąża ok. 60 s za pierwszym, co przy prędkości orbitalnej 8 km/s daje odległość ok. 500 km. 7 Satelitarne systemy..., wykład 8

8 Falowanie Ideę określania wysokości fali na podstawie pomiaru altymetrem przedstawia rysunek obok. Echo krótkiego impulsu radarowego (najczęściej rzędu [ns]) zależy od wysokości fali. Im większy jest dystans wierzchołków i dolin fal od położenia średniego tym dłużej trwa rejestrowane echo, gdyż czoło impulsu wcześniej zaczyna i później kończy się odbijać. Wykres takiego echa dla różnych średnich wysokości fali pokazuje, że istnieje dobra korelacja pomiędzy tą wysokością a czasem trwania impulsu (lub nachyleniem krzywej mocy odbieranego sygnału). Im dłuższe echo (lub mniejsze nachylenie krzywej) tym wyższe fale. Nie ma znaczenia maksymalna moc echa. Idea określania wysokości fali znacznej na podstawie danych altymetru 8 Satelitarne systemy..., wykład 8

9 Prędkość prądu Prądy powierzchniowe Prądy powierzchniowe; dwa precyzyjne pomiary odległości należy wykonać w celu otrzymania wiarygodnej mapy topograficznej powierzchni morza: 1) pomiar odległości satelity od elipsoidy referencyjnej, który dokonywany jest przez globalną sieć stacji laserowych, a ostatnio także wykorzystuje się do tego celu system GPS 2) pomiar odległości satelity od najbliższego elementu swobodnej powierzchni morza. Topografia dynamiczna określona przez GEOSATa i prędkość Prądu Zatokowego na przekroju SYNOP 21 kwietnia Satelitarne systemy..., wykład 8

10 Powierzchniowe prądy geostroficzne Gradient powierzchni morza jest kompensowany przez prąd geostroficzny: Obserwacje altymetryczne z poziomu satelitarnego są wystarczająco precyzyjne aby dokonywać pomiarów: Zmian średniej objętości oceanów (wzrost poziomu morza i globalne ocieplenie) Sezonowego ogrzewania i ocieplania Pływów Średniej topografii dynamicznej (on long length scales) Prądów geostroficznych Zmian w topografii systemu prądów równikowych związanych ze zjawiskiem El Nino 10 Satelitarne systemy..., wykład 8

11 Topografia dynamiczna oceanu Przepływy oceaniczne mogą być określane poprzez analizę wypiętrzeń (hills) i obniżeń (valleys) w topografii oceanu w stosunku do geoidy Kierunki prądów zależą od tej topografii i od miejsca analizy (półkola północna i południowa W ogólności istnieje tutaj pewna dynamiczna równowaga co oznacza, że ogólny obraz dynamicznej topografii oceanu niewiele się zmienia w czasie NH SH 11 Satelitarne systemy..., wykład 8

12 Ruch mas wodnych Trajektoria boi (od 14 do 28 maja 2003, od punktu A do B) na tle dynamicznej topografii w rejonie Prądu Zatokowego 21 maja Obraz lewy – na podstawie danych dwóch satelitów, prawy - czterech 12 Satelitarne systemy..., wykład 8

13 Przepływy geostroficzne Topografia dynamiczna i wynikające z niej przepływy geostroficzne na tle trajektorii pływaków (poprawionej o efekt powierzchniowych prądów wiatrowych) w okresie między 1 i 29 sierpnia 2009 w Morzu Norweskim. Fragment trajektorii oznaczony kolorem fioletowym odpowiada okresowi pomiarów, na podstawie których wykonano mapę. (źr. NASA/Cnes/CLS) 13 Satelitarne systemy..., wykład 8

14 Prądy geostroficzne obliczone na podstawie danych satelitarnych (TOPEX/Posejdon) o topografii oceanu 14 Satelitarne systemy..., wykład 8

15 Batymetria Na satelitarnych obrazach topografii oceanu rowy oceaniczne zaznaczają się jako depresje, a grzbiety podwodne jako obszary wyniesione. Pomimo ponad 40 letniego procesu intensywnego poznawania rzeźby dna wykonywanego ze statków oceanograficznych przy pomocy jedno i wielowiązkowych echosond, tylko ok. 0.1% dna oceanu jest nam znana w rozdzielczości 100 m. Ocenia się, że poznanie całego dna oceanu światowego tą metodą wymagałoby ok statko-lat i kosztowałoby miliardy dolarów (Sandwell et al., 2003). W świetle aktualnego stanu techniki, taka duża rozdzielczość (100 m) może być osiągnięta tylko ze statków, ale już uzyskanie rzeźby dna w średniej rozdzielczości (12-17 km) jest możliwe przy pomocy technik satelitarnych za ułamek kosztów potrzebnych na analogiczne badania metodami tradycyjnymi (rysunek). Wykorzystuje się do tego celu pomiary pola grawitacji ziemskiej, topografii morza i pomiary tradycyjne. 15 Satelitarne systemy..., wykład 8

16 Kształt geoidy 16 Satelitarne systemy..., wykład 8

17 Średni poziom oceanu Zmiana średniego poziomu morza w oceanie światowym na podstawie analizy pomiarów altymetrycznych z różnych źródeł satelitarnych. Czarna linia pokazuje trend, niebieska 60-cio dniową średnią. ( źr. University of Colorado)University of Colorado 17 Satelitarne systemy..., wykład 8

18 Satelitarna altymetria radarowa (7) Wielkość piksela w pomiarach altymetrycznych jest zmienna, w zależności od stopnia sfalowania powierzchni morza. Jest to jednak rząd ok. 5-7 km. Przy częstotliwości prób­kowania np. 1 Hz (w przypadku satelitów ERS-1 i 2) otrzymuje się pomiar co ok. 7 km wzdłuż trasy przelotu satelity. Przykładowy fragment trasy przelotu ERS-1 i wartości niektórych parametrów określonych na podstawie jego pomiarów przed­stawia rysunek 18 Satelitarne systemy..., wykład 8

19 Cryosat-2 Altymetr satelitarny SIRAL ( Synthetic Aperture Interferometric Radar Altimeter ) przygotowany przez ESA. Jego zadaniem jest obserwacja obszarów polarnych. Jest wykorzystywany do badania zmian grubości pokrywy lodowej zarówno w obrębie lądu jak i morza w kontekście globalnego ocieplenia. Cryosat jest wyposażony w dwie anteny odbiorcze stanowiące rodzaj interferometru. Może też pełnić rolę SARa. Data startu: 8 kwietnia 2010 Cryosat 19 Satelitarne systemy..., wykład 8

20 Lód morski 20 Satelitarne systemy..., wykład 8

21 Tsunami na Oceanie Indyjskim 26 grudnia 2004 Tsunami 21 Satelitarne systemy..., wykład 8

22 WSOA ( Wide-Swath Ocean Altimeter ) 22

23 AltiKa Altymetr pracujący w kanale spektralnym Ka (35 GHz) skonstruowany przez CNES do wykorzystania przez misje mikrosatelitarne lub jako dodatkowe urządzenie przy okazji innych misji. Wybór pasma Ka umożliwi wygodną obserwację lodu, deszczu, strefy brzegowej, pokrycia lądu (lasy etc.) i wysokości fali. Dokładność pomiaru wysokości – 8 mm Rozdzielczość przestrzenna – 2 km 2 częstotliwości: 23.8 GHz ± 200 MHz, 37 GHz ±500 MHz Satelita SARAL Data startu 12 grudnia Satelitarne systemy..., wykład 8

24 Tab. XVI Satelita Okres działalności Parametry orbity Powtarzalność [dni] Dokładność Uwagi Okres [min] Wysokość [km] Nachylenie [stopnie] Altymetr [cm] Geoida [m] Orbita Skylab05/ / zmienna10055 mOkreślenie wielkoskalowych anomalii geoidy Geos-304/ / zmienna2022 mDuża ilość pomiarów Seasat06/ / , 17, zmienna mDobrej jakości dane o parametrach geoidy i grawitacji; pierwsze pomiary zjawisk pływowych, pomiar prądów Geosat03/ / ERS-1, ERS-2 06/ / , 35, mWiatr, falowanie, prądy, geoida TOPEX /Poseidon 09/ mCyrkulacja oceaniczna, pływy Geosat Follow-on 09/ / Jason 112/ , 4.24 cmSeria satelitów Jason pomyślana jako następca TOPEX/ POSEIDON. Mają one zapewnić w ciągu najbliższych dekad ciągły dopływ globalnych danych altymetrycznych SSH (sea surface height) z dokładnością kilku centymetrów w czasie niemal rzeczywistym. Jason 206/ The Ocean Surface Topography Mission - OSTM a follow-on to the Jason-1 mission. ENVISAT03/ (Ku) 3.5 (S) Kontynuacja ERS-2 Cryosat-204/ AltiKa12/ (Ka) 24

25 25 Satelitarne systemy..., wykład 8

26 26 Satelitarne systemy..., wykład 8


Pobierz ppt "Teledetekcja mikrofalowa aktywna altymetria Adam Krężel Instytut Oceanografii, Uniwersytet Gdański."

Podobne prezentacje


Reklamy Google