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 przetwarzaniu danych pozyskiwanych poprzez pomiary sygnałów docierających do urządzeń pracujących na pokładach sztucznych satelitów Ziemi w jednym z trzech przedziałów spektralnych widma promieniowania 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 temperatury wody powierzchniowej warstwy morza w zakresie podczerwieni. Kolejne etapy obejmują: Rejestrację radiacji (luminancji energetycznej) docierającej do czujnika na satelicie, w co najmniej 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 radiacyjnych przy pomocy algorytmów uwzględniających dodatkowo korekcję atmosferyczną i procesy 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 geograficzne). Wymienione, kolejne etapy są realizowane przy pomocy algorytmów obliczeniowych. Algorytmy te muszą zostać określone, a następnie wykalibrowane względem rzeczywistych, pomierzonych wartości 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 próbek. W dużej mierze, jakość uzyskanej na podstawie obserwacji satelitarnych informacji o środowisku 1
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 zaprojektowana i utworzona infrastruktura pomiarowa. 2. Infrastruktura pomiarowa System SatBałtyk zapewnia możliwość częstych i wykonywanych na odpowiednio wysokim poziomie pomiarów w postaci utworzonej w tym celu infrastruktury pomiarowych urządzeń podsatelitarnych. 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 południowego Bałtyku zapewniają 4 stacje brzegowe umieszczone w Międzyzdrojach (Rys. 2a) Gaci (Rys. Rysunek 1. Usytuowanie podsatelitarnej infrastruktury pomiarowej systemu Sat- Bałtyk 2b) Helu (Rys. 2c) i Sopocie oraz stacja na platformie pomiarowej PetroBaltic (Rys. 3). Są to: temperatura i wilgotność powietrza, prędkość i kierunek wiatru oraz ciśnienie atmosferyczne. Ponadto mierzone 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. 2
a) Międzyzdroje b ) Gać c) Hel Rysunek 2. Urządzenia pomiarowe na stacjach brzegowych SatBałtyku 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. Rysunek 3. Aparatura pomiarowa na Platformie Baltic Beta 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, x 500, 615,673, 870, 940 nm) 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. ciśnienie 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) 3
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 L u, E d ) 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 Rysunek 4. Boje pomiarowe SatBałtyk 1 i 2 Wyposażenie to musi być jeszcze uzupełnione przez panele słoneczne dostarczające energii do pomiarów, transmisji danych na ląd oraz zasilania urządzeń nawigacyjnych. Wysokie koszty utrzymania w morzu w trybie operacyjnym tego typu urządzeń sprawiają, że eksploatuje 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 pomocą, są bezcenne dla uściślania algorytmów satelitarnego monitoringu środowiska Bałtyku w Systemie SatBałtyk. Wymagają one też nadzoru, częstej kontroli w miejscu zakotwiczenia, czyszczenia czujników optycznych itp. Do tego celu, jak również do szybkiego poboru potrzebnych prób materiału z morza do analizy, w Systemie SatBałtyk służy specjalnie zakupiony kuter Sonda 2 (Rys. 5.). Rysunek 5. Kuter SONDA 2 zbudowany przez firmę SPORTIS S.A. BOJANO i zakupiony dla projektu SatBałtyk w 2013 r. Istotnym uzupełnieniem danych zebranych in situ przez czujniki pracujące na przedstawionych urządzeniach są pomiary wykonywane z pokładów statków badawczych. Pozwalają one na wykonanie ich w różnych miejscach Morza Bałtyckiego, w tym tych o szczególnym znaczeniu dla różnych 4
procesów w nim zachodzących, np. w obszarze częstego występowania prądów wstępujących (upwellingów), czy strefach rozpływów wód lądowych. Takie pomiary wykonywane są obecnie z pokładu 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). Rysunek 8. Statek badawczy Instytutu Oceanologii PAN s/y Oceania Rysunek 9. Statek badawczy Instytutu Oceanografii Uniwersytetu Gdańskiego k/h Oceanograf 2 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 modelu 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 500 400 Oświetlenie [Wm -2 ] 300 200 Oceania SolRad 100 0 Warunek wyłączania: SZD>85 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 Rysunek 7. Miejsca pomiarów PAR i całkowitego promieniowania słonecznego z pokładu Oceanii w czasie rejsów w latach 2010-2012 (w tle średnia doza dobowa PAR w kwietniu 2014) Rysunek 6. Przykład dobowej zmienności oświetlenia powierzchni morza światłem słonecznym zmierzonego z pokładu Oceanii i wyznaczonego z modelu SolRad 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 5
Radiometry hyperspektralne Ramses (TriOS) Fluorymetry Spektrofotometr ac9 (WetLabs) LISST Rysunek 10. Aparatura do pomiarów biooptycznych z pokładu r/v Oceania Tabela 2. Wyniki walidacji chwilowych wartości oświetlenia wyznaczanych przez model SolRad względem danych pomiarowych (wszystkie wartości w [Wm -2 ]; SZD kąt padania promieni słonecznych); zmienna: E d (Oceania)-E d (SolRad) SZD Liczba Błąd Średnia Mediana obserwacji 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 właściwości fizycznych, całego szeregu parametrów biooptycznych oraz poboru próbek, które podlegają analizie w laboratoriach konsorcjantów. W ten sposób wykonywane są analizy pozwalające na określanie 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 aparatury wykorzystywanej w systemie SatBałtyk i procedurę oznaczania zawartości barwników w próbkach 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/. 6
Rysunek 11. Metodyka oznaczania zawartości barwników w próbkach fitoplanktonu 7
Literatura Mantoura R. F. C., Llewellyn C. A., 1983. The rapid determination of algal chlorophyll and carotenoid pigments and their breakdown products in natural waters by reversedphase high-performance liquid chromatography, Anal. Chim. Acta, 151, 297 314. Ostrowska M., Darecki M., Kowalewski M., Krężel A., Dera J., 2015, System SatBałtyk satelitarny monitoring środowiska Bałtyku. Struktura, funkcjonowanie, możliwości operacyjne, Wyd. IO PAN, Sopot, 46. Stoń J., Kosakowska A., 2002, Phytoplankton pigments designation - an application of RP- HPLC in qualitative and quantitative analysis, J. Appl. Phycol., 14 (3), 205 210. Stoń-Egiert J., Kosakowska A., 2005, RP-HPLC determination of phytoplankton pigments - comparison of calibration results for two columns, Mar. Biol., 147 (1), 251 260. 8