Teledetekcja mikrofalowa aktywna altymetria Adam Krężel Instytut Oceanografii, Uniwersytet Gdański
Satelitarne systemy..., wykład 8 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 Satelitarne systemy..., wykład 8
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 Różnica pomiędzy tymi wielkościami jest wysokością poziomu morza w stosunku do środka Ziemi i popularnie określana jest jako poziom morza Gdyby ocean światowy znajdował się w idealnym bezruchu, jego poziom byłby powierzchnią o stałym potencjale grawitacyjnym tzn. powierzchnią geoidy Satelitarne systemy..., wykład 8
Satelitarna altymetria radarowa (2) Mapa odchyleń powierzchni morza od geoidy po eliminacji takich efektów jak pływy oceaniczne, zmienne pole ciśnienia atmosferycznego, spiętrzenia wiatrowe jest określana jako dynamiczna topografia oceanu. Gradient tej powierzchni jest proporcjonalny do prędkości wolnozmiennych, wielkoskalowych prądów oceanicznych (tzw. prądów geostroficznych). Satelitarne systemy..., wykład 8
Satelitarna altymetria radarowa (3) 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 bilansu cieplnego morza (regularne pomiary topografii oceanu mogą być dużą pomocą w przewidywaniu tak krótkoterminowych zmian pogody, jak i zmian klimatycznych) Satelitarne systemy..., wykład 8
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 (3·10-11s). 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. 13.8 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. Satelitarne systemy..., wykład 8
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. DORIS operates by measuring the Doppler frequency shift of a radio signal transmitted from ground stations and received on-board the satellite. The reference frequency for the measurement is generated by identical ultra-stable oscillators on the ground and on-board the spacecraft. Currently there are about 50 ground beacons placed around the globe which cover about 75% of the ENVISAT orbit. On board measurements are performed every 7 - 10 seconds. Precise Doppler shift measurements are taken using an S-band frequency of 2.03625 GHz, while a second VHS band signal at 401.25 MHz is used for ionospheric correction of the propagation delay. On the ground, DORIS data is used to create precise orbit reconstruction models which are then used for all satellite instruments requiring precise orbit position information. In addition, DORIS operates in a Navigator mode in which on-board positioning calculations are performed in real-time and relayed to the ground segment. Satelitarne systemy..., wykład 8
Satelitarne systemy..., wykład 8 Falowanie Idea określania wysokości fali znacznej na podstawie danych altymetru 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. Satelitarne systemy..., wykład 8
Satelitarne systemy..., wykład 8 Prędkość prądu 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 GEOSAT’a i prędkość Prądu Zatokowego na przekroju SYNOP 21 kwietnia 1998 Satelitarne systemy..., wykład 8
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 Satelitarne systemy..., wykład 8
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 Satelitarne systemy..., wykład 8
Satelitarne systemy..., wykład 8 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 2003. Obraz lewy – na podstawie danych dwóch satelitów, prawy - czterech Satelitarne systemy..., wykład 8
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) Satelitarne systemy..., wykład 8
Satelitarne systemy..., wykład 8 Prądy geostroficzne obliczone na podstawie danych satelitarnych (TOPEX/Posejdon) o topografii oceanu Satelitarne systemy..., wykład 8
Satelitarne systemy..., wykład 8 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. 125-200 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. Satelitarne systemy..., wykład 8
Satelitarne systemy..., wykład 8 Kształt geoidy How much these Factors Contribute to Sea Surface Height Ocean eddies - up to about 25 centimeters (10 inches) Temperature of the upper ocean water - up to about 35 centimeters (13 inches), similar to the contribution from ocean eddies Tides in the deep ocean - up to 1 meter (3 feet) Ocean currents or ocean circulation - about 2 meters (6 feet) Gravity - up to 150 meters! (almost 500 feet!) Satelitarne systemy..., wykład 8
Satelitarne systemy..., wykład 8 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) Satelitarne systemy..., wykład 8
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 Satelitarne systemy..., wykład 8
Satelitarne systemy..., wykład 8 2017-03-26 Cryosat-2 Cryosat 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 SAR’a. Data startu: 8 kwietnia 2010 CryoSat-2 carries sophisticated technologies to measure changes at the margins of the vast ice sheets that overlay Greenland and Antarctica and marine ice floating in the polar oceans. By accurately measuring thickness change in both types of ice, CryoSat-2 will provide information to complete the picture and lead to a better understanding of the role ice plays in the Earth system. Launched on 8 April 2010, CryoSat-2 is in a highly inclined polar orbit, reaching latitudes of 88° north and south, to maximise its coverage of the poles. Its main payload is an instrument called Synthetic Aperture Interferometric Radar Altimeter (SIRAL). Previous radar altimeters have been optimised for operations over the ocean and land, but SIRAL is the first sensor of its kind designed for ice. Mean altitude of 717 km and inclination of 92°; low Earth, polar, non-Sun-synchronous Send this page to a friend Satelitarne systemy..., wykład 8
Satelitarne systemy..., wykład 8 Lód morski Satelitarne systemy..., wykład 8
Satelitarne systemy..., wykład 8 Tsunami Tsunami na Oceanie Indyjskim 26 grudnia 2004 Satelitarne systemy..., wykład 8
WSOA (Wide-Swath Ocean Altimeter)
Satelitarne systemy..., wykład 8 2017-03-26 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 2012 Satelitarne systemy..., wykład 8
Tab. XVI 2017-03-26 Skylab 05/1973-02/1974 93.10 435.00 50.00 zmienna Satelita Okres działalności Parametry orbity Powtarzalność [dni] Dokładność Uwagi Okres [min] Wysokość [km] Nachylenie [stopnie] Altymetr [cm] Geoida [m] Orbita Skylab 05/1973-02/1974 93.10 435.00 50.00 zmienna 100 5 5 m Określenie wielkoskalowych anomalii geoidy Geos-3 04/1975-12/1978 100.60 845.00 115.00 20 2 2 m Duża ilość pomiarów Seasat 06/1978-10/1978 100.80 800.00 108.00 3, 17, zmienna 7 1 1.5 m Dobrej jakości dane o parametrach geoidy i grawitacji; pierwsze pomiary zjawisk pływowych, pomiar prądów Geosat 03/1985-09/1989 101.70 785.50 108.10 17.05 3 0.5 ERS-1, ERS-2 06/1991- 04/1995 100.48 785.00 781.36 98.50 98.54 3, 35, 176 35 1 m Wiatr, falowanie, prądy, geoida TOPEX /Poseidon 09/1992- 112.47 1336.00 66.00 10 Cyrkulacja oceaniczna, pływy Geosat Follow-on 09/1996-09/2006 100.90 17 3.5 Jason 1 12/2002- 5, 4.2 4 cm Seria 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 2 06/2008 112.57 The Ocean Surface Topography Mission - OSTM a follow-on to the Jason-1 mission. ENVISAT 03/2002 1 (Ku) 3.5 (S) Kontynuacja ERS-2 Cryosat-2 04/2010 99.16 711-727 92.02 30 AltiKa 12/2012 0.8 (Ka)
Satelitarne systemy..., wykład 8 2017-03-26 At least two altimetry satellites are required to map the ocean and monitor its movements precisely, particularly at scales of 100 to 300 kilometres (mesoscale). With four altimetry satellites available (Jason-1+Jason-2+Envisat+Crysaot-2 from 2012, or Jason-1, Envisat or ERS-2, Topex/Poseidon and GFO between 2002-2005), the resolution of sea surface height measurements is greatly enhanced. At least three satellites are needed to observe eddies and mesoscale phenomenon. Satelitarne systemy..., wykład 8
Satelitarne systemy..., wykład 8 http://sealevel.jpl.nasa.gov/education/tutorial1.html Satelitarne systemy..., wykład 8