Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

SeaWIFS ( датчик с широким полем обзора для наблюдения за морем) - это спутниковый датчик, предназначенный для сбора глобальных биологических данных об океане. Он работал с сентября 1997 года по декабрь 2010 года, его основная задача заключалась в количественном определении хлорофилла, продуцируемого морским фитопланктоном (микроскопическими растениями).

Инструмент [ править ]

Спутник SeaStar, на котором был установлен SeaWiFS

SeaWiFS был единственным научным прибором на спутнике GeoEye OrbView-2 (AKA SeaStar) и был продолжением эксперимента по сравнению с Цветным сканером прибрежной зоны на Nimbus 7 . Запущенная 1 августа 1997 года на малой ракете воздушного базирования Orbital Sciences Pegasus , SeaWiFS начала научные работы 18 сентября 1997 года и прекратила сбор данных 11 декабря 2010 года [1], что намного превышает расчетный период эксплуатации в 5 лет. [2] Разрешение датчика составляет 1,1 км (LAC), 4,5 км (GAC). Датчик записывал информацию в следующих оптических диапазонах:

ГруппаДлина волны
1402–422 нм
2433–453 нм
3480–500 нм
4500–520 нм
5545–565 нм
6660–680 нм
7745–785 нм
8845–885 нм

Инструмент был специально разработан для мониторинга таких характеристик океана, как концентрация хлорофилла- а и прозрачность воды. Его можно было наклонять до 20 градусов, чтобы избежать попадания солнечного света с поверхности моря. Эта особенность важна для экваториальных широт, где солнечный свет часто скрывает акварель. SeaWiFS использовала морской оптический буй для дополнительной калибровки.

Миссия SeaWiFS - это партнерство промышленности и правительства, при этом Группа обработки биологии океана НАСА в Центре космических полетов Годдарда отвечает за сбор, обработку, калибровку, проверку, архивирование и распространение данных. Текущий менеджер проекта SeaWiFS - Джин Карл Фельдман .

Оценка хлорофилла [ править ]

Среднее значение хлорофилла поверхности моря, рассчитанное по данным SeaWIFS, за период с 1998 по 2006 гг.

Концентрации хлорофилла получены из изображений цвета океана. Как правило, чем зеленее вода, тем больше в ней содержится фитопланктона и тем выше концентрация хлорофилла. Хлорофилл а поглощает больше синего и красного света, чем зеленого, в результате чего отраженный свет меняется с синего на зеленый по мере увеличения количества хлорофилла в воде. Используя эти знания, ученые смогли использовать отношения различных отраженных цветов для оценки концентрации хлорофилла.

Видимый цветовой спектр с соответствующими длинами волн в нанометрах

Многие формулы оценивают хлорофилл, сравнивая соотношение синего и зеленого света и соотнося эти отношения с известными концентрациями хлорофилла, полученными в те же времена и в тех же местах, что и спутниковые наблюдения. Цвет света определяется его длиной волны, и видимый свет имеет длину волны от 400 до 700 нанометров, прогрессирует от фиолетового (400 нм) до красного (700 нм). Типичная формула, используемая для данных SeaWiFS (обозначенная как OC4v4), делит коэффициент отражения для максимума нескольких длин волн (443, 490 или 510 нм) на коэффициент отражения при 550 нм. Это примерно равно отношению синего света к зеленому свету для двух длин волн числителя и отношению двух разных длин волн зеленого цвета для другой возможной комбинации.

Коэффициент отражения (R), возвращаемый этой формулой, затем вставляется в кубический полином, который связывает соотношение полос с хлорофиллом. [3]

[4]

Эта формула, наряду с другими, была получена эмпирически с использованием наблюдаемых концентраций хлорофилла. Чтобы облегчить эти сравнения, НАСА поддерживает систему океанографических и атмосферных данных под названием SeaBASS (система биооптического архива и хранения SeaWiFS). Этот архив данных используется для разработки новых алгоритмов и проверки продуктов спутниковых данных путем сопоставления концентраций хлорофилла, измеренных напрямую, с данными, полученными дистанционно со спутника. Эти данные также могут быть использованы для оценки атмосферной поправки (обсуждается ниже), которая также может сильно повлиять на расчеты концентрации хлорофилла.

Было протестировано множество алгоритмов хлорофилла, чтобы определить, какие из них лучше всего соответствуют хлорофиллу в глобальном масштабе. Различные алгоритмы по-разному работают в разных средах. Многие алгоритмы более точно оценивают концентрацию хлорофилла в глубокой чистой воде, чем на мелководье. На мелководье коэффициент отражения от других пигментов, детрита и дна океана может вызывать неточности. Заявленные цели оценок хлорофилла SeaWiFS: «… производить воду, оставляющую светимость с погрешностью 5% в регионах с чистой водой и концентрацией хлорофилла А в пределах ± 35% в диапазоне 0,05–50 мг м-3». [2] Когда точность оценивается в глобальном масштабе и все наблюдения сгруппированы вместе, то эта цель явно достигается. [5]Многие спутниковые оценки варьируются от одной трети до трех раз по сравнению с данными, полученными непосредственно в море, хотя в целом соотношение все еще довольно хорошее. [4] Различия возникают при рассмотрении по регионам, хотя в целом значения по-прежнему очень полезны. Один пиксель может быть неточным, хотя, когда усреднение проводится по большим областям, значения усредняются и обеспечивают полезное и точное представление о более крупных образцах. Преимущества спутниковых данных по хлорофиллу намного перевешивают любые недостатки в их точности просто за счет возможного пространственного и временного охвата. Судовые измерения хлорофилла не могут приблизиться к частоте и пространственному охвату, обеспечиваемым спутниковыми данными.

Атмосферная коррекция [ править ]

Цветное изображение кокколитофоридного фитопланктона у побережья Аляски с помощью SeaWiFS.

Свет, отраженный от поверхности океана, называется сиянием, выходящим из воды, и используется для оценки концентрации хлорофилла. Однако только около 5–10% света в верхней части атмосферы исходит от выходящего из воды излучения. [6] [7] Остальной свет отражается от атмосферы и от аэрозолей в атмосфере. Чтобы оценить концентрацию хлорофилла, необходимо учитывать это сияние, не оставляющее воду. Часть света, отраженного от океана, например, от белых шапок и солнечных бликов, также необходимо исключить из расчетов хлорофилла, поскольку они представляют собой типичные океанские волны или угол наклона солнца, а не подповерхностный океан. Процесс удаления этих компонентов называется атмосферной коррекцией. [8]

Описание света или яркости, наблюдаемой датчиком спутника, может быть более формально выражено следующим уравнением переноса излучения:

Где L T (λ) - общая яркость в верхней части атмосферы, L r (λ) - это рэлеевское рассеяние на молекулах воздуха, L a (λ) - рассеяние на аэрозолях в отсутствие воздуха, L ra (λ) - взаимодействия между молекулами воздуха и аэрозолями, TL g (λ) - это отражения от блеска, t (L f (λ) - это отражения от пены, а L W (λ)) - это отражения от поверхности воды или выходящее из воды сияние . [2] Другие могут разделить яркость на несколько немного отличающиеся компоненты, [8] хотя в каждом случае параметры отражательной способности должны быть разрешены, чтобы оценить яркость выходящей воды и, следовательно, концентрацию хлорофилла.

Продукты данных [ править ]

Хотя SeaWiFS был разработан в первую очередь для мониторинга концентрации хлорофилла А в океане из космоса, он также собирал многие другие параметры, которые бесплатно доступны общественности для исследовательских и образовательных целей. Эти параметры, помимо хлорофилла а, включают отражательную способность, коэффициент диффузного ослабления, концентрацию органического углерода в частицах (POC), концентрацию неорганического углерода в частицах (PIC), индекс окрашенного растворенного органического вещества (CDOM), фотосинтетически активное излучение (PAR) и нормализованную линию флуоресценции высота (NFLH). Кроме того, несмотря на то, что SeaWiFS был разработан для измерения хлорофилла в океане, он также оценивает Нормализованный индекс разницы растительности (NDVI), который является мерой фотосинтеза на суше.

Доступ к данным [ править ]

Изображение SeaWiFS в искусственных цветах показывает высокую концентрацию хлорофилла фитопланктона в районе Бразильского слияния течения к востоку от Аргентины. Теплые цвета указывают на высокий уровень хлорофилла, а более холодные цвета указывают на низкий уровень хлорофилла.

Данные SeaWiFS доступны бесплатно на различных веб-сайтах, большинство из которых являются государственными. Основным местом хранения данных SeaWiFS является веб-сайт NASA OceanColor [1] , на котором хранятся временные ряды всей миссии SeaWiFS. Веб-сайт позволяет пользователям просматривать отдельные изображения SeaWiFS в зависимости от выбранного времени и региона. Веб-сайт также позволяет просматривать картографические данные в различных временных и пространственных масштабах с пространственными масштабами от 4 до 9 км. Данные предоставляются в различных временных масштабах, включая ежедневные, многодневные (например, 3, 8), ежемесячные и сезонные изображения, вплоть до составных частей всей миссии. Данные также доступны по ftp и при массовой загрузке.

Данные можно просматривать и извлекать в различных форматах и ​​уровнях обработки, с четырьмя общими уровнями от необработанного до смоделированного вывода. [9] Уровень 0 - это необработанные данные, которые обычно не предоставляются пользователям. Данные уровня 1 реконструируются, но либо не обрабатываются, либо обрабатываются минимально. Данные уровня 2 содержат производные геофизические переменные, но не на единой пространственно-временной сетке. Данные уровня 3 содержат производные геофизические переменные, привязанные к единой сетке или сопоставленные с ними. Наконец, данные уровня 4 содержат смоделированные или производные переменные, такие как первичная продуктивность океана .

Ученые, которые стремятся произвести расчеты хлорофилла или других параметров, которые отличаются от тех, которые представлены на веб-сайте OceanColor, скорее всего, будут использовать данные уровня 1 или 2. Это может быть сделано, например, для расчета параметров для определенного региона земного шара, тогда как стандартные продукты данных SeaWiFS предназначены для обеспечения глобальной точности с необходимыми компромиссами для конкретных регионов. Ученые, которые больше заинтересованы в связывании стандартных выходных данных SeaWiFS с другими процессами, обычно используют данные Уровня 3, особенно если у них нет возможностей, подготовки или интереса к работе с данными Уровня 1 или 2. Данные уровня 4 могут использоваться для аналогичных исследований, если вы заинтересованы в смоделированном продукте.

Программное обеспечение [ править ]

НАСА предлагает бесплатное программное обеспечение, разработанное специально для работы с данными SeaWiFS через веб-сайт цвета океана. Это программное обеспечение под названием SeaDAS (система анализа данных SeaWiFS) создано для визуализации и обработки спутниковых данных и может работать с данными уровней 1, 2 и 3. Хотя изначально он был разработан для данных SeaWiFS, его возможности с тех пор были расширены для работы со многими другими источниками спутниковых данных. Для чтения и работы с данными SeaWiFS также можно использовать другое программное обеспечение или языки программирования, такие как Matlab , IDL или Python .

Приложения [ править ]

Биологический насос, циркуляция воздуха и моря и изоляция CO 2

Оценка количества глобального или регионального хлорофилла и, следовательно, фитопланктона имеет большое значение для изменения климата и производства рыболовства. Фитопланктон играет огромную роль в поглощении двуокиси углерода в мире, которая является основным фактором изменения климата . Часть этого фитопланктона опускается на дно океана, эффективно забирая углекислый газ из атмосферы и улавливая его в океанских глубинах в течение как минимум тысячи лет. Следовательно, степень первичной продукции из океана может сыграть большую роль в замедлении изменения климата. Или, если первичное производство замедлится, изменение климата может ускориться. Некоторые предлагают удобрять океан железомчтобы способствовать цветению фитопланктона и удалить углекислый газ из атмосферы. Независимо от того, проводятся ли эти эксперименты или нет, оценка концентраций хлорофилла в мировом океане и их роли в биологическом насосе океана может сыграть ключевую роль в нашей способности предвидеть изменение климата и адаптироваться к нему.

Фитопланктон является ключевым компонентом в основе океанической пищевой цепи, и океанографы уже некоторое время выдвигают гипотезу о связи между океаническим хлорофиллом и продукцией рыболовства. [10] Степень, в которой фитопланктон связан с производством морской рыбы, зависит от количества трофических звеньев в пищевой цепи и от того, насколько эффективно каждое звено. Оценки количества трофических связей и трофической эффективности от фитопланктона к коммерческому промыслу широко обсуждаются, хотя и мало обоснованы. [11] Более поздние исследования показывают, что можно смоделировать положительную взаимосвязь между хлорофиллом а и продукцией рыболовства [12] и могут иметь очень высокую корреляцию при рассмотрении в надлежащей шкале. Например, Уэр и Томсон (2005) обнаружили, что r 2 0,87 между уловом постоянной рыбы (метрические тонны км-2) и среднегодовой концентрацией хлорофилла а (мг м-3). [13] Другие пришли к выводу, что Фронт хлорофилла в переходной зоне Тихого океана (плотность хлорофилла 0,2 мг м-3) является определяющей особенностью в распределении головастых черепах. [14]

Ссылки [ править ]

  • Cracknell, AP; Ньюкомб, СК; Черный, AF; Кирби, NE (2001). «Совместные действия ABDMAP (обнаружение, мониторинг и прогнозирование цветения водорослей)». Международный журнал дистанционного зондирования . 22 (2–3): 205–247. Bibcode : 2001IJRS ... 22..205C . DOI : 10.1080 / 014311601449916 . S2CID  140603142 .
  1. ↑ НАСА, Центр космических полетов Годдарда (14 февраля 2011 г.). «Обзор цвета океана» . Проверено 14 февраля 2011 года .
  2. ^ a b c Хукер, SB; Макклейн, CR (1 апреля 2000 г.). «Калибровка и проверка данных SeaWiFS» . Прогресс в океанографии . 45 (3–4): 427–465. Bibcode : 2000PrOce..45..427H . DOI : 10.1016 / S0079-6611 (00) 00012-4 .
  3. ^ О'Рейли, Джон Э .; Мариторена, Стефан; Митчелл, Б. Грег; Сигел, Дэвид А .; Кардер, Кендалл Л .; Гарвер, Сара А .; Кахру, Мати; Макклейн, Чарльз (1 января 1998 г.). "Алгоритмы цвета океана хлорофилла для SeaWiFS" . Журнал геофизических исследований . 103 (C11): 24937–24953. Bibcode : 1998JGR ... 10324937O . DOI : 10.1029 / 98JC02160 .
  4. ^ a b Уиллер, Чарльз Б. Миллер, Патриция А.; Патрисия А. Уиллер (21 мая 2012 г.). Биологическая океанография (2-е изд.). Чичестер: Вили-Блэквелл . ISBN 978-1-4443-3302-2.
  5. ^ Бейли, Шон У .; Верделл, П. Джереми (1 мая 2006 г.). «Мультисенсорный подход к проверке на орбите спутниковых данных о цвете океана». Дистанционное зондирование окружающей среды . 102 (1–2): 12–23. Bibcode : 2006RSEnv.102 ... 12B . DOI : 10.1016 / j.rse.2006.01.015 .
  6. ↑ Джин Карл Фельдман, «Архивная копия» . Архивировано из оригинала на 2014-03-28 . Проверено 29 октября 2013 .CS1 maint: заархивированная копия как заголовок ( ссылка ), «Проект SeaWiFS - Подробное описание», OceanColor WEB, 30.07.2003
  7. ^ Гордон, Говард Р .; Браун, Отис Б .; Эванс, Роберт Х .; Браун, Джеймс У .; Смит, Раймонд С.; Бейкер, Карен С .; Кларк, Деннис К. (1 января 1988 г.). «Полуаналитическая модель сияния цвета океана». Журнал геофизических исследований . 93 (D9): 10909. Bibcode : 1988JGR .... 9310909G . DOI : 10.1029 / JD093iD09p10909 .
  8. ^ а б Франц, Брайан. "Алгоритм определения отражательной способности спутниковых датчиков цвета океана" . Паутина цвета океана . Архивировано из оригинального 13 июня 2013 года . Проверено 29 октября 2013 года .
  9. ^ «Описание уровня продукта» . Ocean ColorWeb . Архивировано из оригинала 3 февраля 2014 года . Проверено 29 октября 2013 года .
  10. ^ Ryther, JH (3 октября 1969). «Фотосинтез и рыбоводство в море» . Наука . 166 (3901): 72–76. Bibcode : 1969Sci ... 166 ... 72R . DOI : 10.1126 / science.166.3901.72 . PMID 5817762 . S2CID 30964270 .  
  11. ↑ Поли, Дэниел (1 января 1996 г.). «Сто миллионов тонн рыбы и рыбные исследования». Рыболовные исследования . 25 (1): 25–38. DOI : 10.1016 / 0165-7836 (95) 00436-X .
  12. ^ Дрекслер, Майкл; Ainsworth, Cameron H .; Дэвис, Эндрю (14 мая 2013 г.). «Обобщенные аддитивные модели, используемые для прогнозирования численности видов в Мексиканском заливе: инструмент моделирования экосистем» . PLOS ONE . 8 (5): e64458. Bibcode : 2013PLoSO ... 864458D . DOI : 10.1371 / journal.pone.0064458 . PMC 3653855 . PMID 23691223 .  
  13. Перейти ↑ Ware, DM (27 мая 2005 г.). «Восходящая трофическая динамика экосистемы определяет рыбопродуктивность в северо-восточной части Тихого океана». Наука . 308 (5726): 1280–1284. Bibcode : 2005Sci ... 308.1280W . DOI : 10.1126 / science.1109049 . PMID 15845876 . S2CID 9695575 .  
  14. ^ Половина, Джеффри Дж; Хауэлл, Эван; Кобаяши, Дональд Р; Секи, Майкл П. (1 января 2001 г.). «Фронт хлорофилла переходной зоны, динамический глобальный объект, определяющий миграцию и кормовые среды обитания морских ресурсов». Прогресс в океанографии . 49 (1–4): 469–483. Bibcode : 2001PrOce..49..469P . DOI : 10.1016 / S0079-6611 (01) 00036-2 .

Внешние ссылки [ править ]

  • Домашняя страница проекта SeaWiFS
  • Сайт OceanColor