Monitoring i prognozowanie w ekosystemach morskich

MONITORING I PROGNOZOWANIE W EKOSYSTEMACH MORSKICH
Ze swoim globalnym spojrzeniem i całkowitą niezależnością od warunków środowiska obserwacje satelitarne
stały się niemal natychmiast po umieszczeniu na orbicie pierwszego sztucznego satelity Ziemi obiektem
ogromnego zainteresowania badaczy oceanów. Po pierwszym krótkim okresie eksperymentów, testów
i przygotowań bardzo szybko wykorzystanie obserwacji satelitarnych stało się w badaniach oceanograficznych
rutyną. Można przyjąć, że od momentu wejścia do służby operacyjnej serii satelitów meteorologicznych Tiros
N/NOAA w roku 1979 i umieszczenia w tym samym roku na orbicie satelity Nimbus 7 obserwacje i badania
oceanów i mórz weszły w nową erę.
W przypadku oceanów pomiar szeregu parametrów tego
środowiska możliwych do określenia z poziomu satelitarnego
został opanowany w stopniu wystarczającym do prowadzenia
stałego monitoringu. Dotyczy to m.in. temperatury
powierzchni morza (satelita AVHRR/Tiros N/NOAA od
1979 roku), zasięgu i koncentracji lodu morskiego
(SMMR/Nimbus 7, SSM/I/DMSP od roku 1979), prędkości
wiatru przywodnego (SSM/I/DMSP od roku 1992),
parametrów geoidy (TOPEX/Posejdon, Jason 1 od roku 1992),
kierunku i prędkości wiatru przywodnego (QuikScat od roku
2003). W większości podanych przykładów możemy
dysponować co najmniej jednym obrazem całej kuli ziemskiej
na dobę o rozdzielczości od jednego do kilkunastu
kilometrów, a dostęp do danych jest stosunkowo łatwy i nie
wymaga dysponowania dużymi środkami. Umożliwia to
włączenie się do badań nad procesami globalnymi także, nie
dysponujących dużym budżetem, polskich instytucji.
Zlodzenie i pokrywa śnieżna na Morzu Bałtyckim, satelita
Meteosat 8, kompozycja RGB, 2004.02.04.
Źródło: EUMETSAT.
Z punktu widzenia badań oceanograficznych Bałtyk można zaliczyć do małych, płytkich mórz wewnętrznych
położonych w całości w obrębie szelfu kontynentalnego. Tego typu obszary zajmują ok. 18% powierzchni
Ziemi, ale w ich bezpośrednim sąsiedztwie żyje 60% populacji ludzkiej, odławia się 90% ryb i ma miejsce
szacunkowo 30% światowej produkcji pierwotnej. Między innymi jest to przyczyna, dla której ich środowisko
przyrodnicze jest w sposób szczególny narażone na degradację.
Narastanie zagrożeń ekosystemów morskich takich jak zanieczyszczenie wszelkiego rodzaju odpadami
antropogenicznymi, eutrofizacja, toksyczne zakwity fitoplanktonu, przełowienie, degradacja w wyniku
gwałtownego rozwoju komunikacji i turystyki jest zauważane przez społeczność międzynarodową, czego
wyrazem jest coraz większa liczba międzynarodowych umów, konwencji i traktatów. Mamy takich,
tzn. dotyczących środowiska morskiego, uregulowań prawnych obecnie kilkanaście, z czego część dotyczy także
lub nawet wyłącznie Bałtyku. Większość z nich, łącznie z takimi inicjatywami jak GEOSS (Global Earth
Observation System of Systems) czy GMES (Global Monitoring for Environment and Security), implikuje
potrzebę regularnych, wiarygodnych obserwacji szeregu parametrów środowiska morskiego, co dla Polski
oznacza konieczność obserwacji Bałtyku.
W obserwacji i badaniach satelitarnych obszaru szelfów stosuje się zasadniczo te same urządzenia, co
w przypadku oceanów. Jednak w pewnym sensie paradoksalnie jest to obszar znacznie bardziej kłopotliwy pod
tym względem. Generalnie większość procesów, które badamy w morzu odznacza się dużą zmiennością
w czasie i dla ich charakterystyki niezbędna jest duża częstość próbkowania (najlepiej kilka razy dziennie).
W przypadku satelitów umieszczanych na orbitach okołopolarnych (na jakich w większości umieszcza się
urządzenia do badania środowiska przyrodniczego) im większa częstość próbkowania tym gorsza rozdzielczość
przestrzenna. Lepszą rozdzielczością przestrzenną dysponują czujniki optyczne, tym jednak w rejonie Bałtyku
bardzo przeszkadzają chmury. Jeśli już istnieje możliwość wykonania pomiarów to z kolei szereg właściwości
wód szelfowych i duża zmienność atmosfery powodują, że odpowiednie algorytmy wiążące wielkość
rejestrowanego sygnału z właściwościami wody morskiej obarczona jest znacznie większym błędem
pomiarowym niż ma to miejsce w przypadku wody oceanicznej.
Te wspomniane wyżej i inne nie wymienione tutaj uwarunkowania powodują, że satelitarne metody obserwacji
takich akwenów jak Bałtyk wciąż są jeszcze dalekie od doskonałości. Jednak koncentrując się jedynie na
monitoringu i badaniach środowiska można wskazać szereg parametrów, które już są monitorowane lub takich,
nad których możliwością określania z wykorzystaniem danych satelitarnych trwają intensywne badania.
Znajdujący się w ostatnim stadium przygotowań raport europejskiej grupy ekspertów MB-ESF (Marine Board –
European Science Foundation) zatytułowany „Remote Sensing of Shelf Sea Ecosystems” umieszcza je w dwóch
©
Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej
www.kosmos.gov.pl
grupach: parametrów możliwych do określenia na podstawie analizy barwy morza i pozostałych istotnych dla
monitorowania wód szelfowych.
Źródłem danych w przypadku parametrów możliwych do określenia na podstawie analizy barwy morza są
radiometry czułe na promieniowanie elektromagnetyczne w przedziale długości fal określanym jako
promieniowanie widzialne. Analizie poddawana jest ta część promieniowania słonecznego, która przeniknęła do
morza, i została w nim rozproszona w kierunku czujnika na pokładzie satelity. Po wyeliminowaniu wpływu
atmosfery (dokonaniu tzw. korekcji atmosferycznej) można na podstawie analizy widma takiego
promieniowania, zmodyfikowanego przez niektóre składniki wody morskiej, określić ich obecność
i koncentrację. Do wielkości, które można otrzymać w ten sposób należą:
1. Koncentracja chlorofilu a – jest to podstawowy
2.
3.
4.
parametr, wyznaczany na podstawie analizy stosunku
radiacji (luminancji energetycznej) w świetle niebieskim
(pasmo absorpcji chlorofilu) do jej wartości w świetle
zielonym (w tym zakresie koncentracja chlorofilu nie
ma znaczenia dla wielkości sygnału).
Koncentracja tzw. substancji żółtych (rozpuszczone w
wodzie związki organiczne powstałe na skutek rozkładu
materii organicznej) określanych akronimem CDOM
(chromophoric dissolved organic matter). Na podstawie
analizy widma przede wszystkim w jego krótkofalowej
(niebieskiej) części można otrzymać semi-analityczne
algorytmy pozwalające na ilościową charakterystykę
CDOM w morzu. Znane są też rozwiązania z
wykorzystaniem sieci neuronowych.
Koncentracja zawiesiny – całkowita masa substancji
zawieszonych w wodzie morskiej określana na
podstawie wielkości radiacji rozproszonej w wodzie w
kierunku czujnika na satelicie. Bardzo słabo zależna od Zakwit fitoplanktonu na Morzu Bałtyckim, obraz z satelity
długości fali promieniowania. Parametr ten jest dobrym Envisat's MERIS, 13.07. 2005. Źródło: ESA.
wskaźnikiem kierunku i zasięgu rozpływu wód
lądowych w morzu i ogólnie stopnia zanieczyszczenia
wody.
Dyfuzyjny współczynnik osłabiania oświetlenia Kd – wskaźnik właściwości optycznej wody morskiej
związanej ze stopniem jej zmętnienia. Jego znajomość umożliwia ocenę skuteczności przenikania światła
słonecznego w głąb morza. Najczęściej określany na podstawie wielkości radiacji rejestrowanej w dwóch
kanałach spektralnych (np. 490 i 555 nm).
Źródłem informacji satelitarnej umożliwiającej wyznaczanie wymienionych parametrów są urządzenia
dedykowane do badania koloru morza. Zestawienie misji satelitarnych i podstawowe parametry urządzeń
dedykowanych tego rodzaju obserwacjom przedstawiono w poniższej tabeli. Aktualnie najłatwiejszy dostęp do
danych zapewnia NASA, właściciel radiometru MODIS pracującego na dwóch satelitach Terra i Aqua.
Zestawienie misji satelitarnych dedykowanych do pomiaru koloru morza
A.
Historia
CZUJNIK
WŁAŚCICIEL SATELITA
CZI
NASA
(USA)
CNSA
(Chiny)
CNSA
(Chiny)
CNSA
(Chiny)
GLI
NASDA
(Japonia)
MOS
DLR
(Niemcy)
NASDA
(Japonia)
CZCS
CMODIS
COCTS
OCTS
©
Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej
Nimbus-7
(USA)
SZ-3
(Chiny)
HY-1A
(Chiny)
HY-1A
(Chiny)
ADEOSII
(Japonia)
IRS P3
(Indie)
ADEOS
(Japonia)
CZAS DZIAŁANIA
SZEROKOŚĆ
ŚCIEŻKI
(km)
ROZDZIELCZOŚĆ
(m)
LICZBA
KANAŁÓW
ZAKRES
SPEKTRALNY
(nm)
ORBITA
24/10/78 - 22/6/86
1556
825
6
433-12500
Polarna
25/3/02 - 15/9/02
-
400
34
403-12500
Polarna
15/5/02 - 1/4/04
1400
1100
10
402-12500
Polarna
15/5/02 - 1/4/04
500
250
4
420-890
Polarna
25/1/03 - 24/10/03
1600
250/1000
36
375-12500
Polarna
21/3/96 - 31/5/04
200
500
18
408-1600
Polarna
03/9/96 - 29/6/97
1400
700
12
402-12500
Polarna
www.kosmos.gov.pl
POLDER
CNES
(Francja)
POLDER-2
CNES
(Francja)
ADEOS
(Japonia)
ADEOSII
(Japonia)
16/9/96 - 29/6/97
2400
6 km
9
443-910
Polarna
01/2/03 - 24/10/03
2400
6000
9
443-910
Polarna
B. Stan obecny (2006)
CZUJNIK
MERIS
MMRS
MODISAqua
MODISTerra
OCI
OCM
OSMI
PARASOL
SeaWiFS
POCZĄTEK
MISJI
SZEROKOŚĆ
ŚCIEŻKI
(km)
ROZDZIELCZOŚĆ
(m)
LICZBA
KANAŁÓW
ZAKRES
SPEKTRALNY
(nm)
ORBITA
01/03/02
1150
300/1200
15
412-1050
Polarna
21/11/00
360
175
5
480-1700
Polarna
Aqua
(EOS-PM1)
04/05/02
2330
1000
36
405-14385
Polarna
NASA
(USA)
Terra
(USA)
18/12/99
2330
1000
36
405-14385
Polarna
NEC
(Japonia)
ISRO
(Indie)
KARI
(Korea)
CNES
(Francja)
NASA
(USA)
ROCSAT-1
(Taiwan)
IRS-P4
(Indie)
KOMPSAT
(Korea)
Myriade
Series
OrbView-2
(USA)
27/01/99
690
825
6
433-12500
Polarna
26/05/99
1420
350
8
402-885
Polarna
20/12/99
800
850
6
400-900
Polarna
18/12/04
2100
6000
9
443-1020
Polarna
01/08/97
2806
1100
8
402-885
Polarna
WŁAŚCICIEL
SATELITA
ESA
(Europe)
CONAE
(Argentyna)
ENVISAT
(Europe)
SAC-C
(Argentyna)
NASA
(USA)
C. Przyszłość
CZUJNIK
WŁAŚCICIEL
GOCI
KARI/KORDI
GOCI
KARI/KORDI
HES-CW
NOAA/NESDI
S
OCM-II
ISRO (Indie)
S-GLI
VIIRS
VIIRS
JAXA
(Japonia)
NASA / IPO
NASA / IPO
SATELITA
COMS-1
(Korea)
COMS-2
(Korea)
GOES-R
(USA)
IRS-P7
(Indie)
GCOM-C
(Japonia)
NPP
NPOESS
PLANOWANY
POCZĄTEK MISJI
SZEROKOŚĆ
ŚCIEŻKI
(km)
ROZDZIELCZOŚĆ
(m)
ZAKRES
LICZBA
SPEKTRALNY
KANAŁÓW
(nm)
2008
2500
500
8
400 - 865
Geostacjonarna
2014
2500
500
8
400 - 865
Geostacjonarna
2012
400
30 - 300
14
412 - 900
Geostacjonarna
2007
-
1000 - 4000
8
400 - 900
Polarna
2011
1150
250/1000
19
375 - 12500
Polarna
2008
2012
3000
3000
370 / 740
370 / 740
22
22
402 - 11,800
402 - 11,800
Polarna
Polarna
ORBITA
Dotychczas w Polsce najwięcej czasu poświęcono określeniu koncentracji chlorofilu w powierzchniowej
warstwie morza, korzystając w tym celu przede wszystkim z danych radiometru SeaWiFS i w ostatnim okresie
MODIS. W tym celu opracowana została modyfikacja standardowego (oceanicznego) algorytmu OC4 i korekcji
atmosferycznej do warunków morza szelfowego i atmosfery nadbałtyckiej. Dysponowanie uzyskanymi w taki
sposób danymi o rozkładzie tego parametru umożliwia monitorowanie szeregu innych procesów i zjawisk
w morzu takich jak wnioskowanie o stopniu eutrofizacji, identyfikacji, zasięgu i dynamice toksycznych
zakwitów glonów czy, przy wykorzystaniu także innych „produktów” satelitarnych określaniu wielkości
produkcji pierwotnej w Bałtyku.
Do grupy parametrów określonych jako inne istotne dla obserwacji i badań mórz szelfowych eksperci MB-ESF
zaliczyli:
1. Temperaturę powierzchni morza (SST) – wielkość wyznaczana na podstawie danych satelitarnych
w trybie quasi operacyjnym od 1979 r. ze standardową rozdzielczością przestrzenną 1 km i dokładnością ok.
1°C przy rozdzielczości 0.1°C. Oprócz informacji o termice powierzchniowej warstwy morza służy jako
parametr umożliwiający obserwację i badanie wielu procesów w morzu, także zachodzących głęboko pod
jego powierzchnią (upwellingi przybrzeżne, struktury wirowe, rozprzestrzenianie się wód lądowych itd.).
SST wyznaczane na podstawie danych satelitarnych jest parametrem asymilowanym do modeli
hydrodynamicznych, co ma ogromny wpływ na podniesienie ich dokładności. Pomiar satelitarny
wykonywany jest przede wszystkim przez radiometry rejestrujące promieniowanie podczerwone
(np. AVHRR, MODIS) zapewniające rozdzielczość przestrzenną rzędu 1 km, ale wymagające bezchmurnej
atmosfery. Tego typu informacja w czasie niemal rzeczywistym jest stosunkowo łatwo dostępna także
w Polsce. Innym źródłem informacji o temperaturze morza są radiometry mikrofalowe (np. AMSR-E na
©
Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej
www.kosmos.gov.pl
satelicie Aqua). W tym przypadku otrzymujemy informację w każdych warunkach meteorologicznych, ale
rozdzielczość przestrzenna rzędu ponad 30 km powoduje, że zastosowanie takiej informacji dla morza
o wielkości Bałtyku jest bardzo ograniczone.
2. Strumień promieniowania słonecznego na powierzchni morza – wielkość określana na podstawie
połączenia modelu/modeli transmisji atmosfery i danych o wielkości i jakości zachmurzenia. Może być
wyznaczany dla dowolnego przedziału widma z przedziału 0.3-4 µm (np. dla zakresu PAR). Ze względu na
tempo zmian zachmurzenia najlepszym materiałem satelitarnym wydają się być dane w zakresie widzialnym
rejestrowane przez satelity geostacjonarne (aktualnie w przypadku Morza Bałtyckiego – Meteosat 8)
3. Wiatr przypowierzchniowy – jeden z podstawowych parametrów istotnych dla wiarygodnego
funkcjonowania modeli hydrodynamicznych. Prędkość i kierunek wiatru wyliczany jest na podstawie
analizy promieniowania mikrofalowego generowanego, pod co najmniej dwoma kątami w stronę morza
i rozproszonego wstecz w kierunku anteny przez jego sfalowaną powierzchnię. Urządzenie umożliwiające
tego rodzaju pomiar określane jest jako skaterometr (scatterometer). Aktualnie w trybie quasi operacyjnym
taka informacja jest generowana na podstawie danych satelity QuikScat. Każdy punkt hydrosfery ziemskiej
jest skanowany w ten sposób dwa razy na dobę. Rozdzielczość przestrzenna wynosi 25 km. Skaterometry
pracują lub pracowały na pokładach szeregu innych satelitów (ERS-1, ERS-2, ADEOS, MetOp).
4. Wysokość fali znacznej (significant wave height) – parametr określany na drodze analizy pomiarów
altymetrycznych. W przypadku Bałtyku ważny dla kalibracji modeli falowania wiatrowego.
5. Topografia morza (sea surface height) – poziomy gradient nachylenia swobodnej powierzchni morza
określany na drodze pomiarów altymetrycznych. Aktualnie wychylenie to jest odnoszone do pojemności
cieplnej kolumny wody gdyż jej objętość jest „kontrolowana” głównie przez temperaturę (w znacznie
mniejszym stopniu przez zasolenie). W celu określenia absolutnej topografii powierzchni morza konieczna
jest dokładna znajomość kształtu geoidy. W innym przypadku wykorzystujemy jedynie informacje
o względnych wychyleniach. W najbliższym czasie tzn. z chwilą rozpoczęcia działalności urządzeń do
pomiarów geodezyjnych GRACE i GOCE zainstalowanych na właśnie wystrzelonym satelicie MetOp
prawdopodobnie możliwe będzie określenie bezwzględnych wartości wychylenia swobodnej powierzchni
morza. Niestety rozdzielczość przestrzenna rzędu 100 km właściwie skazuje na razie wykorzystanie tych
danych do obliczeń dynamicznych w skali globalnej.
6. Kształt powierzchni morza – określany na podstawie pomiarów mikrofalowych przy użyciu radaru
o antenie syntetyzowanej (SAR). Materiał rejestrowany przez SAR umożliwia określanie parametrów
falowania wiatrowego, łącznie z jego widmem, a także niektórych charakterystyk falowania wewnętrznego.
Można na jego podstawie śledzić rozlewy olejowe, wnioskować o prędkości i kierunku wiatru,
identyfikować prądy pływowe.
W strefie brzegowej wykorzystywane są obecnie zdjęcia o średniej i dużej rozdzielczości pozyskiwane z takich
satelitów jak Landsat7 ETM+, SPOT 5, IKONOS i Quickbird. Ich rozdzielczość przestrzenna dla zdjęć
multispektralnych wynosi od 30 do 2.5 m, a dla zdjęć panchromatycznych od 15 do 0.6 m. Kanał
panchromatyczny jest często wykorzystywany do zwiększania rozdzielczości informacji multispektralnej za
pomocą techniki pansharpeningu. Zdjęcia te są często integrowane w systemach GIS z innymi rodzajami
informacji przestrzennej do wszechstronnej analizy środowiska przyrodniczego strefy brzegowej. Typowymi
obiektami badań są zmiany linii brzegowej, batymetria przybrzeżnych płycizn, pokrycie dna roślinnością oraz
procesy erozyjne i akumulacyjne na brzegu morza. W ostatnim czasie wzrosła potrzeba analizy zagrożeń
w strefie brzegowej powodowanych przez spodziewany wzrost poziomu morza, oraz ocena różnorodnych
oddziaływań na obszary chronione. Do tworzenia szczegółowych map pokrycia terenu pasa brzegowego
wykorzystuje się metody klasyfikacji obiektowej multispektralnych zdjęć satelitarnych o dużych
rozdzielczościach integrowanych z numerycznymi modelami terenu.
Opracowanie: B. Woźniak, M. Krężel
Redakcja: A. Foks-Ryznar, A. Iżykowska
©
Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej
www.kosmos.gov.pl