СиВиФС

SeaWiFS (датчик с широким полем обзора моря) — это спутниковый датчик, предназначенный для сбора биологических данных глобального океана. Работая с сентября 1997 года по декабрь 2010 года, его основной задачей было количественное определение хлорофилла, вырабатываемого морским фитопланктоном (микроскопическими растениями).

Инструмент

SeaWiFS был единственным научным инструментом на GeoEye компании OrbView-2 (также известном как SeaStar) спутнике и представлял собой эксперимент, последовавший за сканером цвета прибрежной зоны на Nimbus 7 . Запущенная 1 августа 1997 года на Orbital Sciences воздушного базирования небольшой ракете Pegasus , SeaWiFS начала научную деятельность 18 сентября 1997 года и прекратила сбор данных 11 декабря 2010 года. ^[1] значительно превышает расчетный период эксплуатации в 5 лет. ^[2] составляет Разрешение датчика 1,1 км (LAC, «Локальное покрытие») и 4,5 км (GAC, «Глобальное покрытие»). Датчик записывал информацию в следующих оптических диапазонах:

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

Прибор был специально разработан для мониторинга характеристик океана, таких как концентрация хлорофилла- а и прозрачность воды. Он мог наклоняться на 20 градусов, чтобы избежать попадания солнечных лучей на морскую поверхность. Эта особенность важна в экваториальных широтах, где солнечный свет часто затмевает цвет воды. SeaWiFS использовала морской оптический буй для косвенной калибровки.

Миссия SeaWiFS представляет собой партнерство между промышленностью и правительством, при этом НАСА Группа обработки биологии океана в Центре космических полетов Годдарда отвечает за сбор, обработку, калибровку, проверку, архивирование и распространение данных. Нынешний руководитель проекта SeaWiFS — Джин Карл Фельдман .

Оценка хлорофилла

Концентрации хлорофилла получены на основе изображений цвета океана. Вообще говоря, чем зеленее вода, тем больше в ней 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 соотношения различных отраженных цветов для оценки концентрации хлорофилла.

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

Коэффициент отражения (R), полученный по этой формуле, затем подставляется в кубический полином, который связывает соотношение полос с хлорофиллом. ^[3]

$Chl=antilog(0.366-3.067{\mathsf {R}}+1.93{\mathsf {R}}^{2}+0.64{\mathsf {R}}^{3}-1.53{\mathsf {R}}^{4})$ ^[4]

Эта формула, как и другие, была выведена эмпирическим путем 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 спутниковых данных путем сопоставления концентраций хлорофилла, измеренных непосредственно, с концентрациями, оцененными удаленно со спутника. Эти данные также можно использовать для оценки атмосферной поправки (обсуждаемой ниже), которая также может сильно повлиять на расчеты концентрации хлорофилла.

Были протестированы многочисленные алгоритмы хлорофилла, чтобы определить, какие из них лучше всего соответствуют хлорофиллу в мире. Различные алгоритмы работают по-разному в разных средах. Многие алгоритмы более точно оценивают концентрацию хлорофилла в глубокой чистой воде, чем на мелководье. На мелководье отражение от других пигментов, детрита и дна океана может привести к неточностям. Заявленные цели оценок хлорофилла SeaWiFS заключаются в том, чтобы «… получить сияние воды на выходе с неопределенностью 5% в регионах с чистой водой и концентрации хлорофилла а в пределах ± 35% в диапазоне 0,05–50 мг м-3». ^[2] Когда точность оценивается в глобальном масштабе и все наблюдения группируются вместе, то эта цель явно достигается. ^[5] Многие спутниковые оценки варьируются от одной трети до трех раз от тех, которые были зафиксированы непосредственно в море, хотя в целом соотношение все еще довольно хорошее. ^[4] Различия возникают при анализе по регионам, хотя в целом значения по-прежнему очень полезны. Один пиксель может быть не особенно точным, однако, когда средние значения берутся по большим площадям, значения усредняются и обеспечивают полезное и точное представление о более крупных закономерностях. Преимущества спутниковых данных о хлорофилле 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 спутниковых данных.

Атмосферная поправка

Свет, отраженный от подземного океана, называется сиянием воды и используется для оценки концентрации хлорофилла. Однако только около 5–10% света в верхних слоях атмосферы исходит от излучения воды. ^[6]^[7] Остальная часть света отражается от атмосферы и аэрозолей внутри атмосферы. Чтобы оценить концентрацию хлорофилла, необходимо учитывать это излучение, не оставляющее воду. Некоторое количество света, отраженного от океана, например, от белых шапочек и солнечных бликов, также необходимо исключить из расчетов хлорофилла, поскольку они представляют собой репрезентативные океанские волны или угол наклона солнца, а не подземный океан. Процесс удаления этих компонентов называется атмосферной коррекцией. ^[8]

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

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

Где L _T (λ) — полная яркость в верхней части атмосферы, L _r (λ) — 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) — отражения от бликов, t(L _f (λ) — отражения от пены, а L _W (λ)) — отражения от недр воды, или выходящее из воды сияние . ^[2] Другие могут разделить сияние на несколько разные компоненты. ^[8] хотя в каждом случае необходимо определить параметры отражения, чтобы оценить излучение выходящей воды и, следовательно, концентрацию хлорофилла.

Продукты данных

Хотя SeaWiFS был разработан в первую очередь для мониторинга концентрации хлорофилла А в океане из космоса, он также собирал множество других параметров, которые находятся в свободном доступе для исследовательских и образовательных целей. Эти параметры, помимо хлорофилла а, включают отражательную способность, коэффициент диффузного ослабления, концентрацию твердых частиц органического углерода (POC), концентрацию твердых частиц неорганического углерода (PIC), индекс окрашенного растворенного органического вещества (CDOM), фотосинтетически активное излучение (PAR) и нормализованную линию флуоресценции. высота (НФЛХ). Кроме того, несмотря на то, что SeaWiFS предназначен для измерения хлорофилла в океане, он также оценивает нормализованный индекс различий растительности (NDVI), который является показателем фотосинтеза на суше.

Доступ к данным

Данные SeaWiFS находятся в свободном доступе с различных веб-сайтов, большинство из которых принадлежат государству. Основным местом хранения данных SeaWiFS является веб-сайт НАСА OceanColor [1] , на котором хранятся временные ряды всей миссии SeaWiFS. Веб-сайт позволяет пользователям просматривать отдельные изображения SeaWiFS в зависимости от времени и региона. Веб-сайт также позволяет просматривать различные временные и пространственные масштабы с пространственными масштабами от 4 до 9 км для картографических данных. Данные предоставляются в различных временных масштабах, включая ежедневные, многодневные (например, 3, 8), ежемесячные и сезонные изображения, вплоть до составных изображений всей миссии. Данные также доступны через FTP и массовую загрузку.

Данные можно просматривать и извлекать в различных форматах и уровнях обработки, включая четыре основных уровня: от необработанных до смоделированных результатов. ^[9] Уровень 0 — это необработанные данные, которые обычно не предоставляются пользователям. Данные уровня 1 реконструируются, но либо необработаны, либо обработаны минимально. Данные уровня 2 содержат производные геофизические переменные, хотя и не находятся в единой пространственно-временной сетке. Данные уровня 3 содержат производные геофизические переменные, объединенные или нанесенные на карту в единую сетку. Наконец, данные уровня 4 содержат смоделированные или производные переменные, такие как первичная продуктивность океана .

Ученые, которые стремятся провести расчеты хлорофилла или других параметров, отличающихся от представленных на веб-сайте OceanColor, скорее всего, будут использовать данные уровня 1 или 2. Это можно сделать, например, для расчета параметров для определенного региона земного шара, тогда как стандартные продукты данных SeaWiFS предназначены для глобальной точности с необходимыми компромиссами для конкретных регионов. Ученые, которые больше заинтересованы в сопоставлении стандартных результатов 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 моделируемом продукте.

Программное обеспечение

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 уровня 1, 2 и 3. Хотя изначально он был разработан для данных SeaWiFS, с тех пор его возможности 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 Python .

Приложения

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 . Часть этого фитопланктона опускается на дно океана, эффективно забирая углекислый газ из атмосферы и удерживая его в глубинах океана в течение как минимум тысячи лет. Таким образом, степень первичной продукции океана может сыграть большую роль в замедлении изменения климата. Или, если первичное производство замедлится, изменение климата может ускориться. Некоторые предлагают удобрять океан железом , чтобы способствовать цветению фитопланктона и удалению углекислого газа из атмосферы. Независимо от того, будут ли проводиться эти эксперименты или нет, оценка концентрации хлорофилла в мировом океане и его 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 производством рыболовства. ^[10] Степень участия фитопланктона в производстве 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 до коммерческого рыболовства широко обсуждаются, хотя и мало обоснованы. ^[11] Более поздние исследования показывают, что можно смоделировать положительную взаимосвязь между хлорофиллом А и производством рыболовства. ^[12] и могут быть очень сильно коррелированы при рассмотрении в соответствующем масштабе. Например, Уэр и Томсон (2005) обнаружили r ² Разница между выловом местной рыбы (метрические тонны/км-2) и среднегодовой концентрацией хлорофилла а (мг м-3) составляет 0,87. ^[13] Другие обнаружили, что хлорофилловый фронт переходной зоны Тихого океана (плотность хлорофилла 0,2 мг м-3) является определяющей особенностью распространения головастых черепах. ^[14]

Ссылки

Крэкнелл, AP; Ньюкомб, СК; Черный, АФ; Кирби, штат Невада (2001). «Согласованные действия ABDMAP (обнаружение, мониторинг и прогнозирование цветения водорослей)». Международный журнал дистанционного зондирования . 22 (2–3): 205–247. Бибкод : 2001IJRS...22..205C . дои : 10.1080/014311601449916 . S2CID 140603142 .

^ НАСА, Центр космических полетов Годдарда (14 февраля 2011 г.). «Обзор цветов океана» . Проверено 14 февраля 2011 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Хукер, С.Б.; Макклейн, ЧР (1 апреля 2000 г.). «Калибровка и проверка данных SeaWiFS» . Прогресс в океанографии . 45 (3–4): 427–465. Бибкод : 2000Proce..45..427H . дои : 10.1016/S0079-6611(00)00012-4 .
^ О'Рейли, Джон Э.; Мариторена, Стефан; Митчелл, Б. Грег; Сигел, Дэвид А.; Кардер, Кендалл Л.; Гарвер, Сара А.; Кару, Мати; Макклейн, Чарльз (1 января 1998 г.). «Алгоритмы хлорофилла цвета океана для SeaWiFS» . Журнал геофизических исследований . 103 (С11): 24937–24953. Бибкод : 1998JGR...10324937O . дои : 10.1029/98JC02160 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Уилер, Чарльз Б. Миллер, Патрисия А.; Патрисия А. Уиллер (21 мая 2012 г.). Биологическая океанография (2-е изд.). Чичестер: Уайли-Блэквелл . ISBN 978-1-4443-3302-2 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Бейли, Шон В.; Верделл, П. Джереми (1 мая 2006 г.). «Мультисенсорный подход для проверки на орбите спутниковых данных о цвете океана». Дистанционное зондирование окружающей среды . 102 (1–2): 12–23. Бибкод : 2006RSEnv.102...12B . дои : 10.1016/j.rse.2006.01.015 .
^ Джин Карл Фельдман, «БРОШЮРА SeaWiFS Project 970» . Архивировано из оригинала 28 марта 2014 г. Проверено 29 октября 2013 г. , «Проект SeaWiFS – Подробное описание», OceanColor WEB, 30 июля 2003 г.
^ Гордон, Ховард Р.; Браун, Отис Б.; Эванс, Роберт Х.; Браун, Джеймс В.; Смит, Раймонд К.; Бейкер, Карен С.; Кларк, Деннис К. (1 января 1988 г.). «Полуаналитическая модель сияния цвета океана». Журнал геофизических исследований . 93 (D9): 10909. Бибкод : 1988JGR....9310909G . дои : 10.1029/JD093iD09p10909 .
^ Перейти обратно: ^а ^б Франц, Брайан. «Алгоритм определения коэффициента отражения дистанционного зондирования со спутниковых датчиков цвета океана» . Сеть цветов океана . Архивировано из оригинала 13 июня 2013 года . Проверено 29 октября 2013 г.
^ «Описания уровня продукта» . Океан ColorWeb . Архивировано из оригинала 3 февраля 2014 года . Проверено 29 октября 2013 г.
^ Райтер, Дж. Х. (3 октября 1969 г.). «Фотосинтез и рыбоводство в море». Наука . 166 (3901): 72–76. Бибкод : 1969Sci...166...72R . дои : 10.1126/science.166.3901.72 . ПМИД 5817762 . S2CID 30964270 .
^ Поли, Дэниел (1 января 1996 г.). «Сто миллионов тонн рыбы и исследования рыболовства». Рыболовные исследования . 25 (1): 25–38. дои : 10.1016/0165-7836(95)00436-X .
^ Дрекслер, Майкл; Эйнсворт, Кэмерон Х.; Дэвис, Эндрю (14 мая 2013 г.). «Обобщенные аддитивные модели, используемые для прогнозирования численности видов в Мексиканском заливе: инструмент моделирования экосистемы» . ПЛОС ОДИН . 8 (5): е64458. Бибкод : 2013PLoSO...864458D . дои : 10.1371/journal.pone.0064458 . ПМЦ 3653855 . ПМИД 23691223 .
^ Уэр, DM (27 мая 2005 г.). «Трофическая динамика экосистемы снизу вверх определяет производство рыбы в северо-восточной части Тихого океана». Наука . 308 (5726): 1280–1284. Бибкод : 2005Sci...308.1280W . дои : 10.1126/science.1109049 . ПМИД 15845876 . S2CID 9695575 .
^ Половина, Джеффри Дж; Хауэлл, Эван; Кобаяши, Дональд Р.; Секи, Майкл П. (1 января 2001 г.). «Фронт хлорофилла переходной зоны, динамичная глобальная особенность, определяющая миграцию и среду обитания морских ресурсов». Прогресс в океанографии . 49 (1–4): 469–483. Бибкод : 2001Proce..49..469P . дои : 10.1016/S0079-6611(01)00036-2 .

Внешние ссылки

[OceanColor-1] НАСА, Центр космических полетов Годдарда (14 февраля 2011 г.). «Обзор цветов океана» . Проверено 14 февраля 2011 г.

[HookerMcClain-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с Хукер, С.Б.; Макклейн, ЧР (1 апреля 2000 г.). «Калибровка и проверка данных SeaWiFS» . Прогресс в океанографии . 45 (3–4): 427–465. Бибкод : 2000Proce..45..427H . дои : 10.1016/S0079-6611(00)00012-4 .

[O'Reilly-3] О'Рейли, Джон Э.; Мариторена, Стефан; Митчелл, Б. Грег; Сигел, Дэвид А.; Кардер, Кендалл Л.; Гарвер, Сара А.; Кару, Мати; Макклейн, Чарльз (1 января 1998 г.). «Алгоритмы хлорофилла цвета океана для SeaWiFS» . Журнал геофизических исследований . 103 (С11): 24937–24953. Бибкод : 1998JGR...10324937O . дои : 10.1029/98JC02160 .

[BioObook-4] Перейти обратно: ^а ^б Уилер, Чарльз Б. Миллер, Патрисия А.; Патрисия А. Уиллер (21 мая 2012 г.). Биологическая океанография (2-е изд.). Чичестер: Уайли-Блэквелл . ISBN 978-1-4443-3302-2 . {{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[BailyWerdell-5] Бейли, Шон В.; Верделл, П. Джереми (1 мая 2006 г.). «Мультисенсорный подход для проверки на орбите спутниковых данных о цвете океана». Дистанционное зондирование окружающей среды . 102 (1–2): 12–23. Бибкод : 2006RSEnv.102...12B . дои : 10.1016/j.rse.2006.01.015 .

[6] Джин Карл Фельдман, «БРОШЮРА SeaWiFS Project 970» . Архивировано из оригинала 28 марта 2014 г. Проверено 29 октября 2013 г. , «Проект SeaWiFS – Подробное описание», OceanColor WEB, 30 июля 2003 г.

[Gordon-7] Гордон, Ховард Р.; Браун, Отис Б.; Эванс, Роберт Х.; Браун, Джеймс В.; Смит, Раймонд К.; Бейкер, Карен С.; Кларк, Деннис К. (1 января 1988 г.). «Полуаналитическая модель сияния цвета океана». Журнал геофизических исследований . 93 (D9): 10909. Бибкод : 1988JGR....9310909G . дои : 10.1029/JD093iD09p10909 .

[Franz-8] Перейти обратно: ^а ^б Франц, Брайан. «Алгоритм определения коэффициента отражения дистанционного зондирования со спутниковых датчиков цвета океана» . Сеть цветов океана . Архивировано из оригинала 13 июня 2013 года . Проверено 29 октября 2013 г.

[9] «Описания уровня продукта» . Океан ColorWeb . Архивировано из оригинала 3 февраля 2014 года . Проверено 29 октября 2013 г.

[10] Райтер, Дж. Х. (3 октября 1969 г.). «Фотосинтез и рыбоводство в море». Наука . 166 (3901): 72–76. Бибкод : 1969Sci...166...72R . дои : 10.1126/science.166.3901.72 . ПМИД 5817762 . S2CID 30964270 .

[11] Поли, Дэниел (1 января 1996 г.). «Сто миллионов тонн рыбы и исследования рыболовства». Рыболовные исследования . 25 (1): 25–38. дои : 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 экосистемы» . ПЛОС ОДИН . 8 (5): е64458. Бибкод : 2013PLoSO...864458D . дои : 10.1371/journal.pone.0064458 . ПМЦ 3653855 . ПМИД 23691223 .

[13] Уэр, DM (27 мая 2005 г.). «Трофическая динамика экосистемы снизу вверх определяет производство рыбы в северо-восточной части Тихого океана». Наука . 308 (5726): 1280–1284. Бибкод : 2005Sci...308.1280W . дои : 10.1126/science.1109049 . ПМИД 15845876 . S2CID 9695575 .

[14] Половина, Джеффри Дж; Хауэлл, Эван; Кобаяши, Дональд Р.; Секи, Майкл П. (1 января 2001 г.). «Фронт хлорофилла переходной зоны, динамичная глобальная особенность, определяющая миграцию и среду обитания морских ресурсов». Прогресс в океанографии . 49 (1–4): 469–483. Бибкод : 2001Proce..49..469P . дои : 10.1016/S0079-6611(01)00036-2 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]