Uniwersytet Gdański Instytut Oceanografii TECHNIKA SATELITARNA W BADANIACH I MONITORINGU MATERII ZAWIESZONEJ W WODZIE Adam Krężel, Katarzyna Bradtke Instytut Oceanografii, Uniwersytet Gdański Al. Marszałka Piłsudskiego 46, 81-378 Gdynia E-mail: oceak@univ.gda.pl Dni Technik Satelitarnych Warszawa 21-24.06.2007

Dni Technik Satelitarnych Warszawa 21-24.06.2007 Metody satelitarne w badaniach środowiska przyrodniczego mórz i oceanów Co rejestrujemy? Kolor morza Promieniowanie podczerwone Techniki mikrofalowe Jak rejestrujemy Orbity polarne Orbity geostacjonarne Dni Technik Satelitarnych Warszawa 21-24.06.2007

Dni Technik Satelitarnych Warszawa 21-24.06.2007 Czym jest materia zawieszona w wodzie? cząstki nieorganiczne, np. minerały żywe organizmy planktonowe, które są biernie unoszone przez wodę martwe szczątki organizmów, fragmenty liści, kory drzew, pyłki roślin… Skąd się bierze materia zawieszona w wodzie? wnoszona jest do morza z wodami rzek powstaje w morzu, np. w związku z zakwitami fitoplanktonu przenoszona z wiatrem opada do morza z atmosfery Dni Technik Satelitarnych Warszawa 21-24.06.2007

GŁÓWNE ŹRÓDŁO INFORMACJI: KOLOR MORZA Kolor morza widziany okiem ludzkim, lub rejestrowany przez radiometr pracujący na pokładzie satelity, to część światła słonecznego, które wniknęło do morza, nie zostało pochłonięte przez składniki wody morskiej, zostało natomiast rozproszone i przeniknęło z powrotem przez powierzchnię morza w kierunku obserwatora. Kolor morza zależy więc od tego, jaka część energii promieniowania o różnych długościach fali została pochłonięta, a jaka rozproszona wstecz przez składniki wody morskiej, wśród których duże znaczenie odgrywają zawieszone cząstki materii organicznej i nieorganicznej. W zależności od ich rodzaju i ilości morze przybiera barwę od granatowej, poprzez błękitną, zieloną do brunatnej. MODIS 24.06.2002 Morze Czarne (delta Dunaju)

Dni Technik Satelitarnych Warszawa 21-24.06.2007               Związek pomiędzy promieniowaniem opuszczającym powierzchnię morza a właściwościami optycznymi wody morskiej Rw – współczynnik odbicia (reflektancja) bb – współczynnik rozpraszania wstecz, a – współczynnik absorpcji Dni Technik Satelitarnych Warszawa 21-24.06.2007

absorpcja części energii świetlnej przez ten barwnik Modyfikacja widma współczynnika odbicia przez zróżnicowaną koncentrację chlorofilu (Bukata i in. 1983). Dzięki tej właściwości możemy określać tę właściwość wody morskiej metodami teledetekcyjnymi Fitoplankton przetwarza materię nieorganiczną w organiczną wykorzystując do tego energię promieniowania słonecznego oraz chlorofil. Z punktu widzenia współoddziaływania z promieniowaniem słonecznym mają miejsce dwa procesy: absorpcja części energii świetlnej przez ten barwnik rozpraszanie światła przez komórki fitoplanktonu

Rozpływy wód rzecznych a metody satelitarne Zjawiska towarzyszące rozpływom wód rzecznych Zmiana koncentracji zawiesiny Zmiana właściwości optycznych wody Zmiana właściwości powierzchni morza Zjawiska prowadzące do intensyfikacji spływu wód rzecznych do morza wiosenne roztopy śniegu intensywne opady powodujące podtopienia lub powodzie Dni Technik Satelitarnych Warszawa 21-24.06.2007

ROZPŁYW WÓD WIŚLANYCH WIOSNĄ Dni Technik Satelitarnych Warszawa 21-24.06.2007

ROZPŁYW WÓD WIŚLANYCH PO LETNIEJ POWODZI Ekstremalnie duże dopływy wód wiślanych, które oprócz materii zawieszonej wnoszą duże ilości substancji biogenicznych w okresie letnim mogą intensyfikować produkcję biologiczną na przedpolu ujścia rzeki. Dni Technik Satelitarnych Warszawa 21-24.06.2007

Fitoplankton może gromadzić się w strefie frontu hydrologicznego rzeki thermal-saline fronts (przykład w zbliżeniu). Distribution of phytoplancton in these cases is not only modulated by passive transport. Some authors (Nezlin i in., Pavelson i in., Fennel i in.) na podstawie badan modelowych podkreslaja ze the hydrological conditions can locally influence phytoplankton growth due to reducing vertical mixing or enhanced nutrients transport.

Zakwity glonów a metody satelitarne Zjawiska towarzyszące zakwitowi glonów Zmiana właściwości optycznych wody Zmiana koncentracji chlorofilu Zmiana właściwości powierzchni morza Zmiany właściwości środowiska prowadzące do zakwitu glonów (widoczne z poziomu satlitarnego) Podwyższona temperatura wody Odpowiednia wielkość promieniowania fotosyntetycznie czynnego (PAR) Niewielkie falowanie lub jego brak (słaby wiatr) Dni Technik Satelitarnych Warszawa 21-24.06.2007

Dni Technik Satelitarnych Warszawa 21-24.06.2007 Przykłady W sprzyjających warunkach pogodowych (słaby wiatr, wysoka temperatura) fitoplankton gromadzi się przy powierzchni dzięki wakuolom gazu. Powoduje to zmianę właściwości optycznych wody zauważalną z poziomu satelitarnego nawet przez radiometry o niskiej czułości. Z ich pomocą możemy określać przestrzenny zasięg zjawiska. Czujniki o wyższej czułości wykorzystywane są natomiast w oszacowaniach ilościowych i jakościowych fitoplanktonu. Dni Technik Satelitarnych Warszawa 21-24.06.2007

AVHRR albedo i temperatura powierzchni morza Dni Technik Satelitarnych Warszawa 21-24.06.2007

Dni Technik Satelitarnych Warszawa 21-24.06.2007 AVHRR - SeaWiFS Dni Technik Satelitarnych Warszawa 21-24.06.2007

Zasięg przestrzenny zjawiska Dzięki możliwości obserwacji zakwitów na obrazach pochodzących z wielu czujników możemy badać zmiany intensywności tego zjawiska w czasie Kahru M., Horstmann U., Rud U., 1994

Techniki mikrofalowe - SAR Pozwalają obserwować zasięg zakwitu na podstawie różnic w szorstkości powierzchni wody wywołanych obecnością w warstwie powierzchniowej organizmów fitoplanktonowych SAR AVHRR 26.08.1994, zachodnie wybrzeże USA (Svejkovsky i Shandley 2001) Dane SAR (satelita ERS-1) uzyskane 3 godziny wcześniej od zdjęcia AVHRR

Algorytmy chlorofilowe Związek pomiędzy promieniowaniem w zakresie widzialnym, opuszczającym powierzchnię morza a koncentracją chlorofilu w jego powierzchniowej warstwie R=log10RG RG= R(443)/R(555) lub RG= R(490)/R(555) lub RG= R(510)/R(555) Rejestrację promieniowania w określonych pasmach widma, np. za pomocą czujników SeaWiFS, MODIS, MERIS wykorzystuje się w próbach oszacowania ilości materii powstającej podczas zakwitów, na podstawie map koncentracji chlorofilu

Dni Technik Satelitarnych Warszawa 21-24.06.2007 AVHRR i Chlorofil a Dni Technik Satelitarnych Warszawa 21-24.06.2007

Rozwój zakwitu w czasie Rysunek przedstawia koncentrację chlorofilu w powierzchniowej warstwie wody Morza Bałtyckiego w kolejnych dniach wystąpienia zjawiska zakwitu glonów Dni Technik Satelitarnych Warszawa 21-24.06.2007

Zróżnicowanie gatunkowe Jedyną, stosunkowo łatwo rozpoznawalną grupą są Coccolithophora

Zróżnicowanie gatunkowe In presented maps of you can see evident difference in spatial distribution of algal blooms between spring and summer. In spring, blooms occur mainly in shallower part of the sea in the area where depth doesn’t exceed 50 m and have comparatively compact spatial structure. Meanwhile, in summer they often cover the whole sea and their spatial structure is much more heterogeneous. An analysis of similar maps of chlorophyll concentration, solar radiation, SST, field of wind can help us to point out areas of potential beginning, development of the phenomenon and its forecasting. Summer blooms are observed usually in central Baltic in strong corelation with higher temperature. Blooms are characterised by strong spatial heterogenity. The phytoplankton patches  are closely associated with some mesoscale hydrodynamical processes like meandering jets/ filaments (przykład w zbliżeniu), eddies (przykład w zbliżeniu), thermal-saline fronts (przykład w zbliżeniu). Distribution of phytoplancton in these cases is not only modulated by passive transport. Some authors (Nezlin i in., Pavelson i in., Fennel i in.) na podstawie badan modelowych podkreslaja ze the hydrological conditions can locally influence phytoplankton growth due to reducing vertical mixing or enhanced nutrients transport. (teraz porownanie letniego i wiosennego) Spatial pattern of early spring blooms is quite different. Phytoplankton occurs usually in shallow area usually nie dalej niz siega izobata 50 m. Patches of phytoplankoton in comparison to summer situation are more homogenous and zwarte.In the Baltic Sea the establishment of the thermocline is generally regarded as the trigger for the spring bloom but some authors (Fennel, Elken) suggests that mesoscale current field can favor phytoplankton growth prior to the thermocline development (wyjasnienie: reduced vertical mixing in core of cyclonal eddies enhance phytoplanton growth). Zakwit wiosenny – okrzemki Zakwit letni – sinice

Zróżnicowanie gatunkowe Podejmowane są próby dekompozycji widma reflektancji pod kątem identyfikacji różnych grup glonów Czysta woda Trichodesmium (Singapur) Okrzemki tworzące łańcuchy Cochlodinium (Singapur) Ceratium i Pyrodinium Bahamense Wiciowce (Zatoka Manilska) (głównie Dinophysis caudata) Okrzemki (Rhizolenia spp.) Okrzemki tworzące łańcuchy Protoperidinium i Ceratium (Singapur) (Skeletonema) oraz (Zatoka Manilska) bruzdnice (Singapur) Soo Chin LIEW i in. , 2001

Dopływ materii z atmosfery a metody satelitarne Zjawiska towarzyszące unoszeniu cząstek w atmosferze Zwiększenie zmętnienia atmosfery Zmiana właściwości optycznych atmosfery, zwiększenie rozpraszania światła w atmosferze Zjawiska prowadzące do zwiększenia ilości pyłów w atmosferze emisja zanieczyszczeń w obszarach uprzemysłowionych erupcja wulkanów burze piaskowe Dni Technik Satelitarnych Warszawa 21-24.06.2007

Piaski pustyni MODIS Aqua 19-05-2007 Burza piaskowa w Egipcie Pyły uniesione do atmosfery podczas burzy piaskowej mogą być przenoszone z wiatrem na znaczne odległości i opadać na powierzchnię mórz

Dym z pożarów MODIS Aqua 08-05-2007 Pożary w Georgii, USA Widoczny na zdjęciach satelitarnych dym unoszący się w miejscu pożaru pozwala identyfikować obszary zagrożone. Drobiny sadzy przenoszone z wiatrem mogą opadać na powierzchnię morza.

Dni Technik Satelitarnych Warszawa 21-24.06.2007 Popioły wulkaniczne MODIS Aqua 24-11-2006 Erupcja Etny Popioły wulkaniczne powstające podczas erupcji wulkanów również zasilają wody morskie w materię zawieszoną Dni Technik Satelitarnych Warszawa 21-24.06.2007

Źródła danych aktualnie dostępne Czujnik Właściciel Satelita Okres działania Ścieżka [km] Rozdzielczość [m] Liczba kanałów Zakres widmowy [nm] AVHRR NOAA (USA) Seria Tiros N/NOAA 1979 – 2500 1100 5 580-12500 SeaWiFS NASA (USA) OrbView‑2 (USA) 1/08/97 – 2806 8 402‑885 OCI NEC (Japonia) ROCSAT‑1 (Taiwan) 01/1999 – 690 825 6 433‑12500 MODIS Terra (USA) 18/12/1999 – 2330 1000 36 405‑14385 MISR 24/02/2000 – 360 250 4 446‑867 OSMI KARI (Korea) KOMPSAT (Korea) 20/12/1999 – 800 850 400-900 OCM ISRO (Indie) IRS‑P4 (India) 26/05/1999 – 1420 350 MERIS ESA (Europa) ENVISAT‑1 (Europa) 1/03/2002 – 1150 300/ 1200 15 412‑1050 MODIS-PM Aqua (USA) 4/05/2002 – OCTS CNSA (Chiny) HaiYang‑1 (Chiny) 05/2001 – 1400 10 402‑12500 Dni Technik Satelitarnych Warszawa 21-24.06.2007

Źródła danych planowane Czujnik Właściciel Satelita Okres działania Ścieżka [km] Rozdziel-czość [m] Liczba kanałów Zakres widmowy [nm] Orbita GOCI KARI/KORDI COMS-1 (Korea) 2008 2500 500 8 400 - 865 Geostacjonarna COMS-2 (Korea) 2014 HES-CW NOAA/NESDIS GOES-R (USA) 2012 400 30 - 300 14 412 - 900 OCM-II ISRO (Indie) IRS-P7 (Indie) 2007 -- 1 - 4 km 400 - 900 Polarna S-GLI JAXA (Japonia) GCOM-C (Japonia) 2011 1150 250/1000 19 375 - 12500 VIIRS NASA / IPO NPP 3000 370 / 740 22 402 - 11800 NPOESS (USA) It seems that we must not worry about future because next several sensors is scheduled to work on Earth orbit in coming years. Dni Technik Satelitarnych Warszawa 21-24.06.2007

Serwis operacyjny http://hab.nersc.no/

Dni Technik Satelitarnych Warszawa 21-24.06.2007 Serwis operacyjny http://hab.nersc.no/ Dni Technik Satelitarnych Warszawa 21-24.06.2007

Dni Technik Satelitarnych Warszawa 21-24.06.2007 Uniwersytet Gdański Instytut Oceanografii Koniec Dni Technik Satelitarnych Warszawa 21-24.06.2007