SeaWiFS - SeaWiFS - Wikipedia

SeaWIFS (Датчик с широким полем обзора для наблюдения за морем) - это спутниковый датчик, предназначенный для сбора глобальных биологических данных об океане. Работавший с сентября 1997 года по декабрь 2010 года, его основная задача заключалась в количественной оценке хлорофилл производится морским фитопланктон (микроскопические растения).

Инструмент

Спутник SeaStar, на котором был установлен SeaWiFS

SeaWiFS был единственным научный инструмент на GeoEye OrbView-2 (он же SeaStar) спутник, и был продолжением эксперимента Цветной сканер прибрежной зоны на Нимбус 7. Спущен на воду 1 августа 1997 г. Орбитальные науки Пегас малый с воздушным запуском ракета, SeaWiFS начал научную работу 18 сентября 1997 г. и прекратил сбор данных 11 декабря 2010 г.,^[1] значительно превышает расчетный срок эксплуатации в 5 лет.^[2] В разрешение сенсора составляет 1,1 км (LAC), 4,5 км (GAC). Датчик записал информацию в следующем оптический группы:

Группа	Длина волны
1	402–422 нм
2	433–453 нм
3	480–500 нм
4	500–520 нм
5	545–565 нм
6	660–680 нм
7	745–785 нм
8	845–885 нм

Инструмент был специально разработан для мониторинга таких характеристик океана, как хлорофилл -концентрация 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 использовал Морской оптический буй для дополнительной калибровки.

Миссия SeaWiFS - это партнерство промышленности и правительства, с НАСА Группа обработки биологии океана в Центр космических полетов Годдарда несет ответственность за сбор, обработку, калибровку, проверку, архивирование и распространение данных. Текущий менеджер проекта SeaWiFS: Джин Карл Фельдман.

Оценка хлорофилла

Средняя поверхность моря по данным SeaWIFS хлорофилл на 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 при спутниковых наблюдениях. В цвет Световой поток определяется длиной волны, а видимый свет имеет длину волны от 400 до 700 нанометров, переходящую от фиолетового (400 нм) к красному (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]

${\displaystyle Chl=antilog(0.366-3.067{\mathsf {R}}+1.93{\mathsf {R}}^{2}+0.64{\mathsf {R}}^{3}-1.53{\mathsf {R}}^{4})}$^[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, которая называется Морской окунь (Биооптическая система архива и хранения SeaWiFS). Этот архив данных используется для разработки новых алгоритмов и проверки продуктов спутниковых данных путем сопоставления концентраций хлорофилла, измеренных непосредственно, 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, 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 все еще 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 поправка

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:

${\displaystyle L_{T}(\lambda )=L_{r}(\lambda )+L_{a}(\lambda )+L_{ra}(\lambda )+TL_{g}(\lambda )+t(L_{f}(\lambda )+L_{W}(\lambda ))}$

Где L_Т(λ) - полная яркость в верхней части атмосферы, L_р(λ) - рэлеевское рассеяние на молекулах воздуха, L_а(λ) - рассеяние на аэрозолях в отсутствие воздуха, L_ра(λ) - взаимодействия молекул воздуха с аэрозолями, TL_грамм(λ) - отражение от блика, t (L_ж(λ) - отражения от пены, а L_W(λ)) - это отражения от поверхности воды или уходящее от нее сияние.^[2] Другие могут разделить сияние на несколько отличающиеся компоненты.^[8] хотя в каждом случае необходимо определить параметры отражательной способности, чтобы оценить яркость отделяемой воды и, следовательно, концентрацию хлорофилла.

Информационные продукты

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 твердых частицах (POC), концентрацию неорганического углерода в твердых частицах (PIC), индекс окрашенного растворенного органического вещества (CDOM), фотосинтетически активная радиация (PAR) и нормализованная высота линии флуоресценции (NFLH). Кроме того, несмотря на то, что SeaWiFS был разработан для измерения хлорофилла океана, он также оценивает Нормализованный разностный вегетационный индекс (NDVI), который является мерой фотосинтеза на суше.

Доступ к данным

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], который поддерживает временной ряд 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 во многих 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 океан. первичная продуктивность .

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 разработаны 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.

Программного обеспечения

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) создана 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, например Matlab, IDL, или же Python.

Приложения

Биологический насос, циркуляция 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, который является основным источником изменение 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 основное производство из океана может сыграть большую роль в замедлении изменения климата. Или, если первичное производство замедлится, изменение климата может ускориться. Некоторые предложили удобрять океан железом чтобы 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 океане биологический насос может сыграть ключевую роль в нашей способности предвидеть изменение климата и адаптироваться к нему.

Фитопланктон - ключевой компонент в основе океанического пищевая цепочка и океанографы в течение некоторого времени выдвигали 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 малообоснованны.^[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) нашли r² 0,87 между выловом 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 распределения головастых черепах.^[14]

Рекомендации

• Cracknell, A.P .; Newcombe, S.K .; Блэк, А. Ф .; Кирби, Н. Э. (2001). «Совместные действия ABDMAP (обнаружение, мониторинг и прогнозирование цветения водорослей)». Международный журнал дистанционного зондирования. 22 (2–3): 205–247. Bibcode:2001IJRS ... 22..205C. Дои:10.1080/014311601449916. S2CID  140603142.

1. НАСА, Центр космических полетов Годдарда (14 февраля 2011 г.). "Обзор цвета океана". Получено 14 февраля, 2011.
2. Hooker, S.B .; Макклейн, К.Р. (1 апреля 2000 г.). «Калибровка и проверка данных SeaWiFS». Прогресс в океанографии. 45 (3–4): 427–465. Bibcode:2000PrOce..45..427H. Дои: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. Дои:10.1029 / 98JC02160.
4. Уиллер, Чарльз Б. Миллер, Патриция А.; Патрисия А. Уиллер (21 мая 2012 г.). Биологическая океанография (2-е изд.). Чичестер: Wiley-Blackwell. 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. Дои:10.1016 / j.rse.2006.01.015.
6. Джин Карл Фельдман, «Архивная копия». Архивировано из оригинал на 2014-03-28. Получено 2013-10-29., «Проект SeaWiFS - подробное описание», OceanColor WEB, 30.07.2003
7. Gordon, Howard R .; 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. Дои:10.1029 / JD093iD09p10909.
8. Франц, Брайан. «Алгоритм определения отражательной способности спутниковых датчиков цвета океана». Паутина цвета океана. Архивировано из оригинал 13 июня 2013 г.. Получено 29 октября 2013.
9. «Описание уровня продукта». Цвет океана. Архивировано из оригинал 3 февраля 2014 г.. Получено 29 октября 2013.
10. Райтер, Дж. Х. (3 октября 1969 г.). «Фотосинтез и рыбоводство в море». Наука. 166 (3901): 72–76. Bibcode:1969Научный ... 166 ... 72R. Дои:10.1126 / science.166.3901.72. PMID  5817762. S2CID  30964270.
11. Поли, Дэниел (1 января 1996 г.). «Сто миллионов тонн рыбы и рыбные исследования». Исследования рыболовства. 25 (1): 25–38. Дои:10.1016 / 0165-7836 (95) 00436-Х.
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. Дои:10.1371 / journal.pone.0064458. ЧВК  3653855. PMID  23691223.
13. Уэр, Д. М. (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. Дои: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. Дои:10.1016 / S0079-6611 (01) 00036-2.

внешняя ссылка

• Домашняя страница проекта SeaWiFS
• Сайт OceanColor