1
Krajowa konferencja naukowa
Stan, trendy zmian oraz współczesne metody monitorowania środowiska Morza Bałtyckiego „Bałtyk 2015”
POMIARY PODSATELITARNE W PROJEKCIE SATBAŁTYK
Adam Krężel
Uniwersytet Gdański, Instytut Oceanografii, al. Marszałka Piłsudskiego 46, 81-378 Gdynia e-mail: oceak@ug.edu.pl
1. Wstęp
Satelitarne metody pozyskiwania informacji o środowisku polegają przede wszystkim na przetwa- rzaniu danych pozyskiwanych poprzez pomiary sygnałów docierających do urządzeń pracujących na pokładach sztucznych satelitów Ziemi w jednym z trzech przedziałów spektralnych widma promie- niowania elektromagnetycznego:
− widzialnym,
− podczerwonym,
− mikrofalowym.
Schemat procedury przejścia od surowej wartości zarejestrowanej na pokładzie satelity do parametru charakteryzującego stan środowiska można zilustrować na przykładzie sposobu określania tempera- tury wody powierzchniowej warstwy morza w zakresie podczerwieni. Kolejne etapy obejmują:
− Rejestrację radiacji (luminancji energetycznej) docierającej do czujnika na satelicie, w co naj- mniej dwóch kanałach spektralnych (np. w przypadku radiometru AVHRR/3 są to 10,3–
11,3 µm i 11,5–12,5 µm).
− Zamianę zmierzonej wartości na tzw. temperaturę radiacyjną przy wykorzystaniu prawa Planck’a.
− Obliczenie temperatury powierzchni morza na podstawie określonych temperatur radiacyj- nych przy pomocy algorytmów uwzględniających dodatkowo korekcję atmosferyczną i proce- sy zachodzące w powierzchniowej warstwie morza.
− Przypisanie wyliczonej wartości temperatury do określonego elementu powierzchni morza w danym miejscu na powierzchni Ziemi (tzw. korekcja geometryczna i dowiązanie geograficz- ne).
Wymienione, kolejne etapy są realizowane przy pomocy algorytmów obliczeniowych. Algorytmy te muszą zostać określone, a następnie wykalibrowane względem rzeczywistych, pomierzonych war- tości temperatury powierzchniowej warstwy morza. W dalszej kolejności powinna być określona dokładność, z jaką wyznaczana jest w ten sposób jej wartość i wielkość możliwych do popełnienia błędów.
Cały opisany proces dotyczy praktycznie każdego parametru środowiska określanego z poziomu satelitarnego i wymaga wiarygodnej informacji o jego rzeczywistej wielkości, co można uzyskać na drodze pomiarów bezpośrednich in situ lub/oraz laboratoryjnych przez analizę pobranych w nim pró- bek. W dużej mierze, jakość uzyskanej na podstawie obserwacji satelitarnych informacji o środowisku
2
zależy od możliwości częstych i wykonywanych na odpowiednio wysokim poziomie pomiarów, które będą mogły być wykorzystane zarówno do kalibracji jak i do okresowego sprawdzania poprawności wykorzystywanych algorytmów. I w tym właśnie celu w ramach projektu SatBałtyk została zaprojek- towana i utworzona infrastruktura pomiarowa.
2. Infrastruktura pomiarowa
System SatBałtyk zapewnia „możliwość częstych i wykonywanych na odpowiednio wysokim po- ziomie pomiarów” w postaci utworzonej w tym celu infrastruktury pomiarowych urządzeń „podsate- litarnych”. Ponadto zakłada wykorzystywanie do tego celu statków badawczych instytucji tworzących Konsorcjum SatBałtyk. Wspomniana Infrastruktura obejmuje zatem:
− boje pomiarowe,
− platformy pomiarowe,
− brzegowe stacje terenowe,
− laboratoria specjalistyczne wyposażone w wysokiej jakości aparaturę pomiarową,
− statki badawcze s/y Oceania i k/h Oceanograf 2.
Rozmieszczenie stacji i boi pomiarowych w przestrzeni przedstawione jest na rys. 1
Ciągłą informację o podstawowych parametrach, określających stan atmosfery w rejonie połu- dniowego Bałtyku zapewniają 4 stacje brzegowe umieszczone w Międzyzdrojach (Rys. 2a) Gaci (Rys.
2b) Helu (Rys. 2c) i Sopocie oraz stacja na platformie pomiarowej PetroBaltic (Rys. 3). Są to: tempera- tura i wilgotność powietrza, prędkość i kierunek wiatru oraz ciśnienie atmosferyczne. Ponadto mie- rzone są na nich punktowo niektóre charakterystyki (pomiary „podsatelitarne”), te same, które dla całego Bałtyku wyznaczane są techniką satelitarną w ramach SO SatBałtyk, np. różne charakterystyki promieniowania słonecznego. Największym atutem tych Stacji pomiarowych jest stosunkowo duża łatwość zapewnienia ciągłości pomiarów, natomiast minusem (z wyjątkiem pomiarów wykonywanych na platformie Baltic Beta) wpływ na mierzone wartości otoczenia lądowego. W tab. 1 zgromadzono informację o wielkościach mierzonych w sposób ciągły na wymienionych stacjach. Ciągłość pomiarów gwarantuje w ich przypadku 100% „podsatelitarność” tzn., że każdy pomiar satelitarny będzie miał swój odpowiednik w postaci pomiaru in situ dokładnie w tym samym momencie czasowym.
Rysunek 1. Usytuowanie „podsatelitarnej” infrastruktury pomiarowej systemu Sat- Bałtyk
3
W pewnym sensie najcenniejszych danych „podsatelitarnych” o środowisku morskim dostarczają autonomiczne boje pomiarowe. Przede wszystkim liczba mierzonych wielkości, w stosunku do stacji brzegowych, może być rozszerzona o parametry mierzone w wodzie. Podczas tworzenia Systemu SatBałtyk wykorzystywano dwie takie boje: nowo zbudowaną „SatBałtyk 1” zakotwiczoną na Zatoce Gdańskiej oraz „SatBałtyk 2” (Rys 4), która dostarczyła informacji w latach 2013 i 2014 najpierw z
rejonu Ławicy Słupskiej, a potem z okolic Lubiatowa.
Tabela 1. Wielkości mierzone w sposób ciągły na stacjach pomiarowych systemu SatBałtyk Stacja:
Parametr: Międzyzdroje Gać Słupsk Hel Sopot Baltic Beta
Temperatura powietrza x x x x x
Prędkość i kierunek wiatru x x x x x
Ciśnienie atmosferyczne x x x x x
Wilgotność powietrza x x x x x
Oświetlenie krótkofalowe x x x x
Oświetlenie długofalowe x x x
Oświetlenie i indeks UV x x x
Oświetlenie spektralne (PAR, 415,
500, 615,673, 870, 940 nm) x
Boje te są skomplikowane ze względu na złożoność ich niezbędnego wyposażenia i konstrukcje, które muszą być odporne na działanie wielu czynników żywiołu morskiego. Czynniki te to m.in. ci- śnienie wody, napór fal i prądów, oddziaływanie soli morskiej czy obrastanie przez fito i zooplankton.
Np. boja SatBałtyk 1, zbudowana specjalnie do kontrolnych pomiarów „podsatelitarnych”, posiada wyposażenie, na które składają się w atmosferze:
Stacja Meteorologiczna Väisälä MAWS420
Piranometr CMP6 (Kipp and Zonnen)
Pyrgeometr CGR4 (Kipp & Zonnen)
a) Międzyzdroje b ) Gać c) Hel Rysunek 2. Urządzenia pomiarowe na stacjach brzegowych SatBałtyku
Rysunek 3. Aparatura pomiarowa na Platformie Baltic Beta
4
Satlantic HOCR - Es
pozwalające na pomiar w atmosferze takich parametrów jak:
• Oświetlenie odgórne krótkofalowe (w zakresie 285-2800 nm)
• Temperatura powietrza
• Prędkość i kierunek wiatru
• Ciśnienie atmosferyczne
• Wilgotność względna oraz w wodzie:
WQM (WetLabs)
Satlantic SUNA
Fluorymetr ECO-CDOM (WetLabs)
Hyperspektralny spektrofotometr acs (Wet Labs)
Hypespektralny radiometr do radiacji oddolnej Satlantic (HOCR – Lu, Ed)
Sonda STD SeaBird SBE37 które mierzą na głębokościach 0, 1 i 5 m:
• Temperaturę wody morskiej
• Zasolenie
• Stężenie rozpuszczonego w wodzie tlenu
• Koncentrację chlorofilu a
• Fluorescencję światła przez chromoforowe rozpuszczone związki organiczne
• Współczynniki osłabiania i absorpcji wiązki światła
• Strumienie odgórnego i oddolnego oświetlenia podwodnego
Wyposażenie to musi być jeszcze uzupełnione przez panele słoneczne dostarczające energii do po- miarów, transmisji danych na ląd oraz zasilania urządzeń nawigacyjnych.
Wysokie koszty utrzymania w morzu w trybie operacyjnym tego typu urządzeń sprawiają, że eks- ploatuje się je tylko w ograniczonych okresach czasu,
a i te zaplanowane okresy ulegają często skracaniu ze względu na uszkodzenia urządzeń przez sztormy na morzu. Jednak kilkumiesięczne, a czasem nawet kilkutygodniowe serie kompleksowych pomiarów
„podsatelitarnych”, przeprowadzonych z ich pomo- cą, są bezcenne dla uściślania algorytmów satelitar- nego monitoringu środowiska Bałtyku w Systemie SatBałtyk.
Wymagają one też nadzoru, częstej kontroli w miejscu zakotwiczenia, czyszczenia czujników op- tycznych itp. Do tego celu, jak również do szybkiego poboru potrzebnych prób materiału z morza do ana- lizy, w Systemie SatBałtyk służy specjalnie zakupiony kuter Sonda 2 (Rys. 5.).
Istotnym uzupełnieniem danych zebranych in situ przez czujniki pracujące na przedstawionych urządzeniach są pomiary wykonywane z pokładów statków badawczych. Pozwalają one na wykona- nie ich w różnych miejscach Morza Bałtyckiego, w tym tych o szczególnym znaczeniu dla różnych
Rysunek 5. Kuter SONDA 2 zbudowany przez firmę SPORTIS S.A. BOJANO i zakupiony dla pro- jektu SatBałtyk w 2013 r.
Rysunek 4. Boje pomiarowe SatBałtyk 1 i 2
5
procesów w nim zachodzących, np. w obszarze częstego występowania prądów wstępujących (upwellingów), czy strefach rozpływów wód lądowych. Takie pomiary wykonywane są obecnie z po- kładu statku badawczego r/v Oceania (Rys. 6), którego rejon pływania dla potrzeb Systemu SatBałtyk obejmuje całe Morze Bałtyckie, oraz z pokładu k/h Oceanograf 2, który odbywa rejsy badawcze głównie w rejonie Zatoki Gdańskiej (Rys. 7).
Na rys. 8 przedstawiono przykład tras rejsów wykonywanych przez Oceanię w latach 2010-2012, w trakcie których dokonywano m.in. pomiarów promieniowania słonecznego całkowitego i fotosyntetycznie czynnego docierającego do powierzchni morza. Łącznie wykonano 4268 pomiarów (zaznaczone krzyżykami) w tych samych momentach, w których następowała rejestracja sygnału przez radiometr SEVIRI z pokładu satelity Meteosat.
Pomiary te wykorzystane zostały do walidacji mode- lu SolRad, który korzystając m.in. z danych SEVIRI określa wielkość tych parametrów na powierzchni morza. Przykład przebiegu dziennej zmienności oświetlenia uzyskanego z modelu na tle wartości pomierzonych z pokładu Oceanii przedstawiono na
rys. 9. Wyniki walidacji w postaci określenia błędów statystycznych i systematycznych dla obliczeń wykonywanych przy różnych kątach padania promieni słonecznych zawarto w tabeli 1.
Podstawowe, standardowe wyposażenie „Oceanii” w aparaturę do pomiarów w wodzie (Rys.
10.), na które składają się:
Sonda CTD
Rysunek 8. Statek badawczy Instytutu Oceanologii PAN
s/y Oceania Rysunek 9. Statek badawczy Instytutu Oceanografii
Uniwersytetu Gdańskiego k/h Oceanograf 2
Rysunek 7. Miejsca pomiarów PAR i całkowitego promieniowania słonecznego z pokładu „Oceanii”
w czasie rejsów w latach 2010-2012 (w tle śred- nia doza dobowa PAR w kwietniu 2014)
10/22/12 7:26 10/22/12 9:07 10/22/12 10:48 10/22/12 12:28 10/22/12 14:09 UTC
0 100 200 300 400 500
Oświetlenie [Wm-2]
Oceania SolRad
Warunek wyłączania: SZD>85
Rysunek 6. Przykład dobowej zmienności oświe- tlenia powierzchni morza światłem słonecznym zmierzonego z pokładu Oceanii i wyznaczonego z modelu SolRad
6
Radiometry hyperspektralne Ramses (TriOS)
Fluorymetry
Spektrofotometr ac9 (WetLabs)
LISST
Tabela 2. Wyniki walidacji chwilowych wartości oświetlenia wyznaczanych przez model SolRad względem danych pomiarowych (wszystkie wartości w [Wm-2]; SZD – kąt pada- nia promieni słonecznych); zmienna: Ed(Oceania)-Ed(SolRad)
SZD Liczba
obserwacji Średnia Mediana Błąd
statystyczny systematyczny
35 261 18.3 7.8 148 0.060
40 235 6.9 1.6 145 0.033
45 389 -13.5 -3.7 123 -0.030
50 470 -16.2 -5.5 116 -0.050
55 375 -4.6 -2.7 106 -0.025
60 546 -7.4 -6.1 90 -0.032
65 565 -2.6 -4.8 75 -0.028
70 502 -2.2 -5.9 69 -0.034
75 336 1.2 -6.6 58 0.001
80 340 -2.3 -6.6 37 0.017
85 180 8.8 3.5 28 0.469
Ʃ 4201 -3.0 -3.2 97 0.005
i nieco skromniejszą „Oceanografa 2” pozwalają na wykonywanie podstawowych pomiarów jej wła- ściwości fizycznych, całego szeregu parametrów biooptycznych oraz poboru próbek, które podlegają analizie w laboratoriach konsorcjantów. W ten sposób wykonywane są analizy pozwalające na okre- ślanie takich wielkości jak:
• stężenie chlorofilu, karotenoidów i fykobilin,
• zawartość barwników w komórkach fitoplanktonu,
• stężenie toksyn,
• koncentracja zawiesiny,
• koncentracja węgla organicznego,
• widma absorpcji zawiesiny oraz CDOM,
• skład taksonomiczny fitoplanktonu,
których znajomość jest niezbędna do kalibracji i walidacji algorytmów satelitarnych. Przykład apara- tury wykorzystywanej w systemie SatBałtyk i procedurę oznaczania zawartości barwników w prób- kach fitoplanktonu ilustruje schemat na rys. 11.
Wyniki pomiarów wykonywanych przez urządzenia na przedstawionych stacjach pomiarowych (rys. 1) są udostępniane w ramach systemu SatBałtyk poprzez stronę http://www.satbaltyk.eu/.
Rysunek 10. Aparatura do pomia- rów biooptycznych z pokładu r/v Oceania
7
Rysunek 11. Metodyka oznaczania zawartości barwników w próbkach fitoplanktonu
8
