Charakterystyki środowiska Morza Bałtyckiego zawarte w sygnale rejestrowanym przez czujniki satelitarne w świetle produktów Systemu SatBałtyk
Mirosław Darecki
Instytut Oceanologii Polskiej Akademii Nauk e-mail: darecki@iopan.gda.pl
1. Wstęp.
Radiometry satelitarne nakierowane na powierzchnię morza rejestrują szeroki zakres premiowania elektromagnetycznego emitowanego w ich kierunku, od fal z zakresu widzialnego poprzez promieniowanie podczerwone do fal mikrofalowych. O ile zakresy podczerwone i mikrofalowe niosą ze sobą informacje tylko o powierzchni morza (np. temperatura,
szorstkowatość i sfalowanie powierzchni) o tyle promieniowanie widzialne, dzięki temu, że wnika w toń wodną, gdzie oddziaływuje z jej składnikami, po wyjściu z wody niesie ze sobą informacje o różnorodnych charakterystykach środowiska morskiego. Wychodząca z wody radiacja , określana jest w języku potocznym jako kolor morza.
Udokumentowane, mniej lub bardziej systematyczne obserwacje koloru morza, sięgają początków XVII wieku. Rzecz jasna, te wczesne obserwacje nie służyły jeszcze do śledzenia zmian klimatycznych, ale początkowo były wykorzystywane głownie do celów nawigacyjnych czy związanych z rybołówstwem, a dopiero później do różnicowania mas wodnych, chociaż w tamtym początkowym okresie nie zdawano sobie jeszcze sprawy co to zróżnicowanie tak naprawdę oznacza. W początkowym okresie wiedza o tym jakie czynniki i procesy determinują koloru morza była bardzo ograniczona i często daleka od znanych dzisiaj fizycznych podstaw tego zjawiska.
Rys. 1 Przykłady zróżnicowanie koloru morza w zależności od akwenu i pory roku(górne panele od lewej: centralny Atlantyk, Morze Północne, wody przybrzeżne Morza Północnego, dolne panele od lewej: Bałtyk, Morze Wattowe, Morze Północne w czasie zakwitu alg.
Dopiero w XX wieku, wraz z intensywnym rozwojem fizyki i biologii morza,
nauczyliśmy się poprawnie interpretować kolor morza a dokładnie spektralne charakterystyki strumienia oddolnego radiacji w widzialnym zakresie widma, bo taki właśnie parametr fizyczny kryje się pod potocznym pojęciem koloru morza.
Równocześnie w XX wieku miał miejsce dynamiczny rozwój aparatury badawczej wykorzystywanej do pomiarów takiego widma, włącznie z urządzeniami umieszczanymi na pokładach satelitów okołoziemskich, co umożliwiło zdalne określanie optycznych
charakterystyk mórz i oceanów w skali globalnej i wykorzystywanie tej wiedzy w monitoringu akwenów morskich i badaniach klimatycznych powiązanych z morzami i oceanami.
2. Pomiar koloru morza - reflektancja.
Żeby, przynajmniej częściowo uniezależnić się od wpływu zmiennych warunków oświetlenia panujących nad badanym akwenem wodnym, miarą koloru morza jest spektralny rozkład tzw. reflektancji zdalnej, definiowanej jako stosunek strumienia światła wychodzącego z wody do oświetlenia słonecznego (bezpośredniego i rozproszonego w atmosferze) dochodzącego do powierzchni wody. Wielkość ta oznaczana jest zwykle symbolem Rrs
Rrs = Lu/Ed
gdzie Lu – radiacji oddolna wychodząca z wody
Ed – oświetlenie odgórne dochodzące do powierzchni wody
Oczywiście taka wielkość, określona jest niezależnie dla każdej mierzonej długości fali (każda długość fali światła widzialnego odpowiada określonemu kolorowi składowemu, których suma składa się na całkowity kolor morza, postrzegany przez oko ludzkie)
3. Procesy fizyczne wpływające na reflektancję .
Światło słoneczne po przejściu przez powierzchnię wody napotyka na swojej drodze nie tylko molekuły wody ale także rozmaite zawieszone lub rozpuszczone w wodzie substancje, np.
cząsteczki zawiesiny organicznej –głównie fitoplankton lub zawiesiny nieorganicznej, a także rozpuszczone substancje organiczne będące np. rezultatem przemiany materii w środowisku morskim.
W wyniki interakcji z tymi składnikami światło może być zaabsorbowane (pochłonięte) lub rozproszone (zmiana kierunku wiązki światła). Cześć światła która nie została po drodze zaabsorbowana ulega rozproszeniu do tyłu i wraca do obserwatora lub detektora znajdującego się nad powierzchnią wody.
Ponieważ rozmaite składniki wody morskiej absorbują lub rozpraszają poszczególne długości fal w różny sposób, w zależności od ilości i wzajemnych proporcji pomiędzy tym składnikami modyfikowane jest wychodzące z wody światło.
Na rysunku 2 przedstawiony jest przykład widma absorpcji i rozpraszania czystej wody i odpowiadające tym wartościom widmo reflektanci zdalnej.
Rysunek 2. Przykład widma absorpcji i rozpraszania czystej wody (panel górny) i odpowiadające tym wartościom widmo reflektancji zdalnej (panel dolny). Wartości współczynników absorpcji i rozpraszania zaczerpnięte z prac Smith i Baker (1981) i Pope i Fry (1997).
Dla porównania na rysunku 3 przedstawione są rozkłady spektralne współczynników absorpcji i rozpraszania wybranego gatunku fitoplanktonu ( Nodularia spumigena) i
odpowiadające tym wartościom widmo reflektanci zdalnej.
Długość fali [nm]
400 450 500 550 600 650 700
Reflektancja zdalna [sr-1]
0.0000 0.0005 0.0010 0.0015 0.0020 0.0025 0.0030
Rysunek 3. Przykład widma absorpcji i rozpraszania wybranego gatunku fitoplanktonu ( Nodularia spumigena) (panel górny, rysunek z rozprawy doktorskiej M. Woźniak, (2014)) i odpowiadające tym wartościom widmo reflektancji zdalnej przy stężeniu chlorofilu 23 mg/m3 (panel dolny)
Wybierając z takiego widma wartości reflektancji w odpowiednio wybranych obszarach widma (tzw. kanałach spektralnych) , możemy powiązać je ze zmianami ilości wybranego składnika wody morskiej, tworząc tzw. algorytmy, i na podstawie takich zależności określać później jego ilość na podstawie reflektancji uzyskiwanej np. z pomiarów satelitarnych. Zakres i ilość wybranych kanałów spektralnych a także matematyczne funkcje samych algorytmów są zwykle unikatowe dla każdego optycznie znaczącego składnika wody morskiej a często zmienia się też w zależności od sezonu i lokalizacji badanego obszaru.
Współczynniki absorbcji i rozpraszania wody morskiej, a w konsekwencji kształt i wielkość widma reflektanci zdalnej, powiązane są też z wielkościami określającymi warunki determinujące dopływ energii słonecznej do poszczególnych warstw toni wodnej, np. zasięg strefy eufotycznej w wodzie, współczynniki dyfuzyjnego osłabiania oświetlenia odgórnego czy warunki widzialności podwodnej, wymagane w niektórych aplikacjach morskich. Na podstawie charakterystyki widmowej reflektancji zdalnej możliwie jest tez określenie jednego z
podstawowych parametrów wykorzystywanych od lat do szacowania stopnia mętności wody morskiej , tzw Dysku Secchiego.
4. Podsumowanie.
Znajomość optycznych właściwości składników wody morskiej pozwala na zdalne określanie nie tylko ich obecności w wodzie morskiej ale także zdalne określanie ich ilości.
Ponieważ w wielu przypadkach właściwości optyczne tych składników różnią się w zależności od badanego akwenu stąd w celu możliwe najdokładniejszego zdalnego określania ich ilości potrzebna jest wiedza o tych właściwościach uzyskana dla danego akwenu, co ma miejsce także w przypadku Bałtyku. Tylko specjalnie dedykowane Bałtykowi algorytmy mogą umożliwić nam wiarygodne określanie ilości optycznie znaczących parametrów morza a co za tym idzie,
śledzenie ich wieloletnich zmian.
Literatura
Pope R. M. i E. S. Fry, 1997, Absorption spectrum (380–700 nm) of pure water, II, integrating cavity measurements. Appl. Opt.36(33): 8710–8723
Smith, R. C. i K. S. Baker, 1981, Optical properties of the clearest natural waters (200–
800 nm). Appl. Opt.20: 177–184.
Woźniak Monika, 2014, Identyfikacja grup organizmów dominujących w zakwitach fitoplanktonu w wodach Morza Bałtyckiego metodami nie kontaktowymi, Rozprawa doktorska na Wydziale Oceanografii Fizycznej UG.
