Teledetekcja satelitarna ekosystemu Bałtyku i jego produkcji pierwotnej Bogdan Woźniak1, Mirosław Darecki1, Adam Krężel2, Dariusz Ficek3 wozniak@iopan.gda.pl 2Instytut Oceanografii Uniwersytetu Gdańskiego, Gdynia 3Instytut Fizyki Akademii Pomorskiej, Słupsk 1Instytut Oceanologii PAN, Sopot

Ekosystem Morza Bałtyckiego jest obszarem wrażliwym, poddanym silnej presji na skutek działalności człowieka i zachodzących zmian klimatycznych. Państwa Bałtyckie, dla których obszar te ma kluczowe znaczenie, zobligowane są do regularnego monitoringu stanu ekosystemu tego morza, który może być prowadzony efektywnie przy zastosowaniu metod satelitarnych wspartych pomiarami in situ w wybranych miejscach. Wody morza Bałtyckiego różnią się znacznie od czystych wód oceanicznych co uniemożliwia bezpośrednie stosowanie standardowych algorytmów satelitarnych na określenie wybranych parametrów ekosystemu, takich jak np. koncentracja pigmentów fitoplanktonu czy jego produkcja pierwotna. Powyższe problemy przyświecały realizacji w latach 2002-2005, projektu BOSSKEB -Badanie i opracowanie systemu satelitarnej kontroli ekosystemu Bałtyku (PBZ-KBZ-056/PO4/2001-2005, ang: DESAMBEM – Development of satellite method of the Baltic ecosystem monitoring, patrz http://www.iopan.gda.pl/desambem/). W ramach projektu zostały opracowane matematyczne modele i algorytmy na wyznaczanie parametrów ekosystemu Bałtyku i jego produkcji pierwotnej (patrz http://www.iopan.gda.pl/oceanologia/452wozni.pdf, http://www.iopan.gda.pl/oceanologia/463wozni.pdf).  

Komponenty systemu dane skanerów SeaWiFS lub MODIS + lokalne algorytmy (‘kolor morza’) dane z satelitów meteorologicznych NOAA i Meteosat : (m.in. w celu określenia temperatury powierzchni morza i stopnia pokrycia jego powierzchni chmurami w celu wspomagania wyliczania dziennych dóz energii fotosyntetycznej PAR). Inne parametry meteorologiczne i środowiskowe Modele i algorytmy na wyznaczanie szeregu parametrów ekosystemu, łącznie z jego produkcją pierwotną.

Diagram blokowy komponentów systemu Formuły modelowe Dane wejściowe Strumienie radiacji VIS oraz kanały podczerwone IR1 i IR2 inne dane Obl iczenia Modele i algorytmy dla przetwarzania danych sat. - temperatura powierzchni, T(0+) - koncentarcja ozonu, O3 - upwelling przybrzeżne - prędkość wiatru, v - fronty termalne - wilgotność powietrza, e zakres wlewów rzecznych - ciśnienie amtosferyczne optyczne właśc. aerozolii - optyczne właściowści chmur Optyczny model atmosfery - optyczne właściwości atmosfery, transmitancja... - rozkład oświetlenia na powierzchni Ed (0+, ), oświetlenie PAR(0+) na powierzchni – rozkład albeda powierzchni morza - rozkład nachyleń powierzchni morza - stopień pokrycia powierzchni pianą transmisja oświetlenia i radiacji przez powierzchnię oświetlenie Ed (0-, ) and oświetlenie PAR(0-) pod powierzchnią rozkład spektrlany Rrs pod powierzchnią, kolor morza Model stanu powierzchni morza i właśc. optycznych Model koloru morza - przypowierzchniowa koncentracja głównych komponentów wody morskiej, w tym chlorofilu a, Ca (0+) Bio-optyczny model morza Rozkłady pionowe: - koncentracji chlorofilu a, Ca (z) - rozkład spektralny osłabiania oświetlenia, Kd (z,) - rozkład spektralny oświetlenia, Ed (z,) - rozkład PAR(z) Model absorpcji światła przez fitoplankton Rozkłady pionowe: - koncentracji pigmentów fitoplanktonu, Ci (z) - współczynników absorpcji światła przez fitoplankton, apl(z) Model kwantowej wydajności fotosyntezy Rozkłady pionowe: - kwantowej wydajności fotosyntezy, (z) - produkcji pierwotnej, P(z) - całkowita produkcja pierwotna Ptot Diagram blokowy komponentów systemu

Głównym celem projektu było opracowanie metod określania charakterystyk ekosystemu Bałtyku na podstawie rejestracji satelitarnych. Zastosowanie opracowanych metod pozwala uzyskać mapy wielu parametrów ekosystemu Bałtyku , takich jak np.: temperatura powierzchniowa, struktura przypowierzchniowych prądów morskich, zjawiska upwellingu, zakwity fitoplanktonu, bilans radiacji, natężenie promieniowania UV i PAR na powierzchni wody, koncentracja chlorofilu a i innych pigmentów fitoplanktonu oraz produkcja pierwotna w morzu. Opracowany system dostarcza także typowo fizycznych informacji o środowisku takich jak np. rozkłady zanieczyszczeń czy stan pokrycia powierzchni morza lodem.

Z uwagi na specyficzne właściwości optyczne morza i atmosfery w rejonie Bałtyku, osiągnięcie celów progamu DESAMBEM było możliwe dzięki opracowaniu nowych specjalistycznych algorytmów oraz modyfikacji standardowych procedur dla przetwarzania danych satelitarnych.

Dane satelitarne uzyskiwane przez pasywny pomiar radiacji oddolnej z pomocą skanerów satelitarnych SeaWiFS i MODIS przetwarzane były z wykorzystaniem lokalnych algorytmów, w tym korekcji atmosferycznej dostosowanej do specyfiki akwenu. Dane satelitarne NOAA i Meteosat wykorzystywano w celu określenia temperatury powierzchniowej wody oraz stanu pokrycia obszaru Bałtyku chmurami, co umożliwiło dokładne określenie dobowej ilości PAR docierającej do powierzchni wody. Dane satelitarne wraz ze standardowymi pomiarami warunków meteorologicznych i innych parametrów środowiskowych, zostały włączone do szeregu modeli i algorytmów, które pozwalają określić wiele pozostałych parametrów ekosystemu łącznie z jego produkcją pierwotną.

Przykładowe mapy rozkładów dziennej dozy oświetlenia PAR (a) i średniej temperatury powierzchniowej (b) uzyskane w projekcie DESAMBEM.

Przykładowe mapy rozkładów koncentracji chlorofilu a (c) i całkowitej produkcji pierwotnej (d), uzyskane w projekcie DESAMBEM.

Przykładowe mapy rozkładów całkowitej produkcji pierwotnej dla maja w latach 2001-2004 9 May 2001 14 May 2001 8 May 2002      10 May 2002 28 May 2003 10 May 2004    21 May 2004