stringtranslate.com

SeaWiFS

SeaWiFS (Sea-Viewing Wide Field-of-View Sensor) — спутниковый датчик, разработанный для сбора глобальных данных об океанической биологии. Он действовал с сентября 1997 года по декабрь 2010 года, его основной задачей было количественное определение хлорофилла, вырабатываемого морским фитопланктоном (микроскопическими растениями).

Инструмент

Спутник SeaStar с SeaWiFS

SeaWiFS был единственным научным инструментом на спутнике GeoEye OrbView -2 (AKA SeaStar) и был последующим экспериментом после сканера цвета прибрежной зоны на Nimbus 7. Запущенный 1 августа 1997 года на малой ракете -носителе Pegasus компании Orbital Sciences , SeaWiFS начал научную работу 18 сентября 1997 года и прекратил сбор данных 11 декабря 2010 года [1] , намного превысив свой расчетный срок эксплуатации в 5 лет. [2] Разрешение датчика составляет 1,1 км (LAC, «Local Area Coverage») и 4,5 км (GAC, «Global Area Coverage»). Датчик регистрировал информацию в следующих оптических диапазонах:

Инструмент был специально разработан для мониторинга характеристик океана, таких как концентрация хлорофилла-а и прозрачность воды. Он мог наклоняться на 20 градусов, чтобы избежать солнечного света с поверхности моря. Эта функция важна в экваториальных широтах, где блики солнечного света часто затмевают цвет воды. SeaWiFS использовал морской оптический буй для косвенной калибровки.

Миссия SeaWiFS — это партнерство промышленности и правительства, при этом Группа обработки биологии океана NASA в Центре космических полетов имени Годдарда несет ответственность за сбор, обработку, калибровку, проверку, архивирование и распространение данных. Текущим руководителем проекта SeaWiFS является Джин Карл Фельдман .

Оценка хлорофилла

Средний уровень хлорофилла на поверхности моря, полученный с помощью SeaWIFS за период с 1998 по 2006 год.

Концентрации хлорофилла выводятся из изображений цвета океана. В общем, чем зеленее вода, тем больше в ней фитопланктона и тем выше концентрация хлорофилла. Хлорофилл a 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 соотношения 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 связывая эти соотношения с известными концентрациями хлорофилла из тех же времен и мест, что и спутниковые наблюдения. Цвет света определяется его длиной волны, а видимый свет имеет длины волн от 400 до 700 нанометров, прогрессируя от фиолетового (400 нм) до красного (700 нм). Типичная формула, используемая для данных SeaWiFS (называемая OC4v4), делит отражательную способность максимума нескольких длин волн (443, 490 или 510 нм) на отражательную способность при 550 нм. Это примерно равно отношению синего света к зеленому свету для двух длин волн числителя и отношению двух различных зеленых длин волн для другой возможной комбинации.

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

[4]

Эта формула, наряду с другими, была выведена эмпирически с использованием наблюдаемых концентраций хлорофилла. Для облегчения этих сравнений NASA поддерживает систему океанографических и атмосферных данных под названием SeaBASS (SeaWiFS Bio-optical Archive and Storage System). Этот архив данных используется для разработки новых алгоритмов и проверки продуктов спутниковых данных путем сопоставления концентраций хлорофилла, измеренных напрямую, с теми, которые оцениваются дистанционно со спутника. Эти данные также могут быть использованы для оценки атмосферной коррекции (обсуждается ниже), которая также может существенно влиять на расчеты концентрации хлорофилла.

Многочисленные алгоритмы хлорофилла были протестированы, чтобы определить, какие из них лучше всего соответствуют хлорофиллу в глобальном масштабе. Различные алгоритмы работают по-разному в разных средах. Многие алгоритмы оценивают концентрацию хлорофилла точнее в глубокой чистой воде, чем в мелководье. На мелководье отражение от других пигментов, детрита и морского дна может вызывать неточности. Заявленные цели оценок хлорофилла SeaWiFS заключаются в следующем: «… производить воду, оставляющую сияние, с неопределенностью 5% в регионах с чистой водой и концентрацию хлорофилла a в пределах ±35% в диапазоне 0,05–50 мг м-3». [2] Когда точность оценивается в глобальном масштабе, а все наблюдения группируются вместе, то эта цель явно достигается. [5] Многие спутниковые оценки варьируются от одной трети до трех раз от тех, которые напрямую зарегистрированы в море, хотя общее соотношение все еще довольно хорошее. [4] Различия возникают при рассмотрении по регионам, хотя в целом значения все еще очень полезны. Один пиксель может быть не особенно точным, хотя, когда усредняются данные по более крупным областям, значения усредняются и дают полезное и точное представление о более крупных моделях. Преимущества данных о хлорофилле со спутников намного перевешивают любые недостатки в их точности просто за счет возможного пространственного и временного охвата. Измерения хлорофилла с судов не могут приблизиться к частоте и пространственному охвату, предоставляемым спутниковыми данными.

Атмосферная коррекция

Полноцветное изображение SeaWiFS цветения кокколитофоридного фитопланктона у берегов Аляски

Свет, отраженный от подповерхностного океана, называется излучением, оставляющим воду, и используется для оценки концентрации хлорофилла. Однако только около 5–10% света в верхней части атмосферы исходит от излучения, оставляющего воду. [6] [7] Остальной свет отражается от атмосферы и от аэрозолей в атмосфере. Для оценки концентрации хлорофилла необходимо учитывать это излучение, не оставляющее воду. Часть света, отраженного от океана, например, от белых барашков и солнечных бликов, также необходимо удалить из расчетов хлорофилла, поскольку они представляют собой репрезентативные океанские волны или угол солнца, а не подповерхностный океан. Процесс удаления этих компонентов называется атмосферной коррекцией. [8]

Описание света или излучения, наблюдаемого датчиком спутника, можно более формально выразить следующим уравнением переноса излучения:

Где L T (λ) — полная яркость в верхней части атмосферы, L r (λ) — рэлеевское рассеяние молекулами воздуха, L a (λ) — рассеяние аэрозолями в отсутствие воздуха, L ra (λ) — взаимодействие между молекулами воздуха и аэрозолями, TL g (λ) — отражения от блика, t(L f (λ) — отражения от пены, а L W (λ)) — отражения от подповерхностного слоя воды или яркость, исходящая из воды. [2] Другие могут делить яркость на несколько слегка отличающихся компонентов, [8] хотя в каждом случае параметры отражательной способности должны быть разрешены для оценки яркости, исходящей из воды, и, следовательно, концентрации хлорофилла.

Данные продукты

Хотя SeaWiFS был разработан в первую очередь для мониторинга концентраций хлорофилла a в океане из космоса, он также собирал много других параметров, которые свободно доступны общественности для исследовательских и образовательных целей. Эти параметры, помимо хлорофилла a, включают отражательную способность, коэффициент диффузного ослабления, концентрацию органического углерода в твердых частицах (POC), концентрацию неорганического углерода в твердых частицах (PIC), индекс цветного растворенного органического вещества (CDOM), фотосинтетически активную радиацию (PAR) и нормализованную высоту линии флуоресценции (NFLH). Кроме того, несмотря на то, что SeaWiFS был разработан для измерения хлорофилла в океане, он также оценивает индекс нормализованной разницы вегетации (NDVI), который является мерой фотосинтеза на суше.

Доступ к данным

Ложноцветное изображение SeaWiFS показывает высокую концентрацию хлорофилла фитопланктона в регионе слияния бразильских течений к востоку от Аргентины. Теплые цвета указывают на высокий уровень хлорофилла, а более холодные цвета указывают на низкий уровень хлорофилла.

Данные SeaWiFS находятся в свободном доступе на различных веб-сайтах, большинство из которых принадлежат правительству. Основным местом размещения данных SeaWiFS является веб-сайт NASA OceanColor [1], который поддерживает временные ряды всей миссии SeaWiFS. Веб-сайт позволяет пользователям просматривать отдельные изображения SeaWiFS на основе выбора времени и области. Веб-сайт также позволяет просматривать различные временные и пространственные масштабы с пространственными масштабами от 4 км до 9 км для картографированных данных. Данные предоставляются в многочисленных временных масштабах, включая ежедневные, многодневные (например, 3, 8), ежемесячные и сезонные изображения, вплоть до композитных изображений всей миссии. Данные также доступны через ftp и массовую загрузку.

Данные можно просматривать и извлекать в различных форматах и ​​уровнях обработки, с четырьмя общими уровнями от необработанных до смоделированных выходных данных. [9] Уровень 0 — это необработанные данные, которые обычно не предоставляются пользователям. Данные уровня 1 реконструируются, но либо не обрабатываются, либо минимально обрабатываются. Данные уровня 2 содержат производные геофизические переменные, хотя и не находятся на однородной пространственно-временной сетке. Данные уровня 3 содержат производные геофизические переменные, сгруппированные или сопоставленные с однородной сеткой. Наконец, данные уровня 4 содержат смоделированные или производные переменные, такие как первичная продуктивность океана.

Ученые, которые стремятся создать расчеты хлорофилла или других параметров, которые отличаются от представленных 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 разработаны для глобальной точности с необходимыми компромиссами для определенных регионов. Ученые, которые больше заинтересованы в том, чтобы связать стандартные выходные данные SeaWiFS с другими процессами, обычно будут использовать 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 они заинтересованы в смоделированном продукте.

Программное обеспечение

NASA предлагает бесплатное программное обеспечение, разработанное специально для работы с данными SeaWiFS через веб-сайт ocean color. Это программное обеспечение, называемое SeaDAS (SeaWiFS Data Analysis System), создано для визуализации и обработки спутниковых данных и может работать с данными уровней 1, 2 и 3. Хотя изначально оно было разработано 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 можно также использовать другое программное обеспечение или языки программирования, такие как Matlab , IDL или Python .

Приложения

Биологический насос, круговорот воздуха и моря и связывание CO2

Оценка количества глобального или регионального хлорофилла и, следовательно, фитопланктона имеет большое значение для изменения климата и производства рыболовства. Фитопланктон играет огромную роль в поглощении углекислого газа в мире, что является основным фактором изменения климата . Процент этого фитопланктона опускается на дно океана, эффективно извлекая углекислый газ из атмосферы и изолируя его в глубинах океана по крайней мере на тысячу лет. Таким образом, степень первичной продукции из океана может сыграть большую роль в замедлении изменения климата. Или, если первичное производство замедлится, изменение климата может быть ускорено. Некоторые предлагают удобрять океан железом , чтобы способствовать цветению фитопланктона и удалять углекислый газ из атмосферы. Независимо от того, будут ли эти эксперименты проводиться или нет, оценка концентрации хлорофилла в мировых океанах и его роли в биологическом насосе океана может сыграть ключевую роль в нашей способности предвидеть и адаптироваться к изменению климата.

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 морской рыбной продукцией, зависит от количества трофических связей в пищевой цепи и эффективности каждой связи. Оценки количества трофических связей и трофической эффективности от фитопланктона до коммерческого рыболовства широко обсуждались, хотя они были мало обоснованы. [11] Более поздние исследования показывают, что положительные связи между хлорофиллом a и продукцией рыболовства могут быть смоделированы [12] и могут быть очень сильно коррелированы при рассмотрении в правильном масштабе. Например, Уэр и Томсон (2005) обнаружили r 2 , равный 0,87 между урожаем резидентной рыбы (метрические тонны км-2) и среднегодовой концентрацией хлорофилла a (мг м-3). [13] Другие обнаружили, что хлорофилловый фронт переходной зоны Тихого океана (плотность хлорофилла 0,2 мг/м3) является определяющей чертой в распространении головастой морской черепахи. [14]

Ссылки

  1. ↑ NASA, Goddard Space Flight Center (14 февраля 2011 г.). "Ocean Color Browse" . Получено 14 февраля 2011 г.
  2. ^ abc Хукер, SB; МакКлейн, CR (1 апреля 2000 г.). «Калибровка и проверка данных SeaWiFS». Progress in Oceanography . 45 (3–4): 427–465. Bibcode :2000PrOce..45..427H. doi :10.1016/S0079-6611(00)00012-4.
  3. ^ O'Reilly, John E.; Maritorena, Stéphane; Mitchell, B. Greg; Siegel, David A.; Carder, Kendall L.; Garver, Sara A.; Kahru, Mati; McClain, Charles (1 января 1998 г.). "Алгоритмы хлорофилла цвета океана для SeaWiFS". Journal of Geophysical Research . 103 (C11): 24937–24953. Bibcode : 1998JGR...10324937O. doi : 10.1029/98JC02160 .
  4. ^ ab Wheeler, Charles B. Miller, Patricia A.; Patricia A. Wheeler (2012-05-21). Биологическая океанография (2-е изд.). Чичестер: Wiley-Blackwell . ISBN 978-1-4443-3302-2.{{cite book}}: CS1 maint: multiple names: authors list (link)
  5. ^ Бейли, Шон В.; Верделл, П. Джереми (1 мая 2006 г.). «Мультисенсорный подход к орбитальной проверке 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, "SeaWiFS Project 970 BROCHURE". Архивировано из оригинала 2014-03-28 . Получено 2013-10-29 .,"Проект SeaWiFS – Подробное описание", OceanColor WEB, 30.07.2003
  7. ^ Гордон, Ховард Р.; Браун, Отис Б.; Эванс, Роберт Х.; Браун, Джеймс У.; Смит, Рэймонд К.; Бейкер, Карен С.; Кларк, Деннис К. (1 января 1988 г.). "Полуаналитическая модель излучения цвета океана". Журнал геофизических исследований . 93 (D9): 10909. Bibcode : 1988JGR....9310909G. doi : 10.1029/JD093iD09p10909.
  8. ^ ab Франц, Брайан. "Алгоритм для извлечения отражательной способности дистанционного зондирования со спутниковых датчиков цвета океана". Ocean Color Web . Архивировано из оригинала 13 июня 2013 г. Получено 29 октября 2013 г.
  9. ^ "Описания уровня продукта". Ocean ColorWeb . Архивировано из оригинала 3 февраля 2014 г. Получено 29 октября 2013 г.
  10. ↑ Райтер, Дж. Х. (3 октября 1969 г.). «Фотосинтез и рыбопроизводство в море». Science . 166 (3901): 72–76. Bibcode :1969Sci...166...72R. doi :10.1126/science.166.3901.72. PMID  5817762. S2CID  30964270.
  11. ^ Pauly, Daniel (1 января 1996 г.). «Сто миллионов тонн рыбы и исследования в области рыболовства». Fisheries Research . 25 (1): 25–38. doi :10.1016/0165-7836(95)00436-X.
  12. ^ Дрекслер, Майкл; Эйнсворт, Кэмерон Х.; 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. ↑ Ware, DM (27 мая 2005 г.). «Восходящая трофическая динамика экосистемы определяет производство рыбы в северо-восточной части Тихого океана». Science . 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.). «Хлорофилловый фронт переходной зоны, динамическая глобальная особенность, определяющая миграцию и среду обитания для морских ресурсов». Прогресс в океанографии . 49 (1–4): 469–483. Bibcode :2001PrOce..49..469P. doi :10.1016/S0079-6611(01)00036-2.

Внешние ссылки