Teledetekcja mikrofalowa pasywna Adam Krężel Instytut Oceanografii, Uniwersytet Gdański

Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7 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 26 marca 2017

Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7 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 26 marca 2017

Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7 Antena mikrofalowa (1) AeG(θ,φ) – zysk antenowy G(θ,φ) – znormalizowana, kierunkowa charakterystyka odbioru Ae – efektywna powierzchnia anteny: x y z A e płat główny płaty boczne G(, ) Lf (, )   dω Charakter kierunkowy Odbiór promieniowania tylko w jednej płaszczyźnie polaryzacji Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7 26 marca 2017

Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7 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 26 marca 2017

Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7 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 Konstruując antenę mikrofalową do badań satelitarnych dąży się do tego aby otrzymać wąski i silny główny płat G(θ,) i jak najsłabsze boczne płaty. Prowadzi to do zbliżenia wartości TB i TA i zawężenia pola widzenia do możliwie maksymalnie małego. Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7 26 marca 2017

Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7 Atmosfera Rys. 6. Robinson (1985) Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7 26 marca 2017

Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7 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 26 marca 2017

Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7 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 26 marca 2017

Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7 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 26 marca 2017

Temperatura i zasolenie 2017-03-26 http://podaac-opendap.jpl.nasa.gov/ 1420.40575177 MHz, which is equivalent to the vacuum wavelength of 21.10611405413 cm in free space http://podaac-opendap.jpl.nasa.gov/ Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7 26 marca 2017

Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7 2017-03-26 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 26 marca 2017

Zasolenie (SMOS) 2017-03-26 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 150 km SMOS - Soil Moisture and Ocean Salinity http://www.salinityremotesensing.ifremer.fr/activities/smos/data/l3 26 marca 2017

Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7 Zasolenie (SMOS) Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7 26 marca 2017

Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7 Zasolenie (Aquarius) Aquarius (NASA) Mikrofalowy radiometr pasywny (pasmo L, 1.4 GHz) L-Band skaterometr pracujący na częstotliwości 1.2 GHz, o antenie rzeczywistej i 2.5-metrowej composite reflector antenna Tryb pracy: aktywny/pasywny w paśmie L, typ push-broom wykorzystujący 3-wiązkową antenę Orbita 657 km, 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 26 marca 2017

Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7 Zasolenie 2017-03-26 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7 26 marca 2017

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 26 marca 2017

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 26 marca 2017

SSM/I - lód http://www.flashbackimaging.com/ssm_i_animation_cd.htm 26 marca 2017 http://www.flashbackimaging.com/ssm_i_animation_cd.htm

26 marca 2017

Prędkość wiatru przywodnego Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7 26 marca 2017

SSM/I - http://www.remss.com/ssmi/ SSM/I (Special Sensor Microwave Imager) kanał spektralny efektywne pole widzenia [km] wzdłuż w poprzek trasy przelotu 19.35 (H,V) 69 43 22.24 (V) 50 40 37.0 (H,V) 37 29 85.5 (H,V) 15 13 1) prędkość wiatru przywodnego: 3-25 m/s (2m/s) 2) koncentracja lodu morskiego: 0-100% (12%) 3) wiek lodu: jedno lub wieloletni 4) zasięg lodu: do 12.5 km 5) opady: 0-25 mm/godz (5 mm/godz) 6) wodność chmur: 0-6 kg/m2 (0.1 kg/m2) 7) woda w atmosferze: 0-6 kg/m2 (0.1 kg/m2) 8) wilgotność gleby Aktualnie: F13, F14 i F15 Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7 26 marca 2017

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 26 marca 2017

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 26 marca 2017

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 marca 2017

Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7 26 marca 2017

Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7 26 marca 2017

Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7 26 marca 2017

Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7 26 marca 2017

Zastosowanie technik satelitarnych..., wykład 7 26 marca 2017

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

26 marca 2017

(Polar orbiting Operational Satellite System) CMIS Satelita Instrument Czas działania Częstotliwość [GHz] Szerokość ścieżki [km] Rozdzielczość Szerokość pasma [MHz] Czułość [K] Nimbus-7 SeaSat SMMR 1978-87 8.07-10.10 1978 6.6 10.69 18 21 37 822 148x95 91x59 55x41 44x30 27x18 250 0.9 1.2 1.5 DMSP SSM/I SSMIS 1987- 19.35 22.235 85.5 1390 70x45 60x40 38x30 16x14 900 1400 0.8 0.6 1.1 MOS-1 MSR 23.8 31.4 317 29 22 400 500 1 ERS-1 ERS-2 ATSR/M 1990- 36.6 Nadir nadir 22 TRMM TMI 1997- 10.7, 19.4, 21.3, 37, 85.5 780 6-50 760 ADEOS-II AMSR 2002-2002 6.9 10.65 18.7 36.5 89.0 50.3 52.8 1600 74x43 14x8 6x4 350 100 200 1000 3000 1 Aqua AMSR-E 2002- 6.925 10.65 18.7 1445 51x30 27x16 31x18 0.3 NPOESS (Polar orbiting Operational Satellite System) CMIS (Conical Scanning Microwave Imager/Sounder) 2009-2020 10, 18, 37 (9 kanałów od 50 do 60 GHz, 40 kanałów 1.5 kHz wokół 60 GHz