Sinice – zobrazowania satelitarne Bałtyku
Opracowanie: dr Bożena Łapeta, Bartosz Wieczorek i dr Artur Rutkowski
Centrum Meteorologicznej Osłony Kraju, Zakład Teledetekcji Satelitarnej
Zakwity sinic to jeden problemów, z którymi muszą się mierzyć osoby wypoczywające latem nad Bałtykiem. Wysoka temperatura wody oraz duża zawartość związków biogennych (takich jak azot i fosfor) w wodzie sprzyjają powstawaniu tego zjawiska, które jest bardzo niebezpieczne dla zdrowia. Dlatego akweny, w których ma miejsce zakwit sinic są zamykane dla kąpiących się.
Zakwity sinic charakteryzują się dużą zmiennością w czasie i przestrzeni. Dlatego ich monitorowanie z wykorzystaniem tradycyjnych pomiarów i obserwacji in-situ nie pozwala na poznanie pełnej skali tego zjawiska. Dzięki wykorzystaniu danych satelitarnych możliwe jest wykrywanie i monitorowanie tego zakwitów sinic na dużych obszarach.
Jednym z produktów pozwalających na monitorowanie stanu wody z wykorzystaniem danych satelitarnych jest kompozycja barwna RGB ‘Kolor oceanu’. Kolor oceanu to pozorny odcień lub ton wody, który wynika z interakcji światła słonecznego z mikroskopijnym składem wody. Te składniki to przede wszystkim fitoplankton, cząstki mineralne i rozpuszczona materię organiczną. Kolor oceanu zmienia się w zależności od tego, jak te materiały w wodzie morskiej pochłaniają i rozpraszają światło o różnych długościach fal, co silnie zależy od ich składu. Na przykład, wysoce produktywne (bogate w azot i fosfor) wody , w których fitoplankton jest obfity, mogą wydawać się zielone, podczas gdy mniej produktywne wody z mniejszą liczbą składników odżywczych zazwyczaj wydają się niebieskie.
Te mikroskopijne organizmy oddziaływają silnie z promieniowaniem o długości fali od 0.38 µm do 0.80 µm. Czym większa długość fali elektromagnetycznej tym silniejsze jej pochłaniane przez wodę. Dlatego do monitorowania koloru oceanu wykorzystywane są dane satelitarne oraz czujniki na ich pokładach które obserwują Ziemię w kanałach widzialnych. Do tworzenia obrazów na potrzeby analizy koloru oceanu wykorzystywane są kanały spektralne mierzące promieniowanie o długości fali c.a. 0.67 µm (barwa czerwona), 0.55 µm (barwa zielona) oraz c.a. 0.47 µm (barwa niebieska). Złożenie tych trzech kanałów w kompozycję barwną RGB oraz wprowadzenie korekty koloru zwiększającej kontrast dla wody, pozwala na uzyskanie obrazu dobrze nadającego się do monitorowaniu koloru oceanu, tzw. kompozycji RGB ‘Kolor oceanu’ lub kompozycji ‘TCI_Enh’. Na obrazach w tych kompozycjach woda z dużą zawartością fitoplanktonu będzie miała odcień zielonkawy, podczas gdy zielonym kolorem zaznaczone będą miejsca zakwitów wody. Obszary zakwitów sinic będą zatem wyraźnie zielone.
Warunkiem niezbędnym do tego, aby wykryć i monitorować zakwity sinic na obrazie satelitarnym jest brak zachmurzenia. Chmury pochłaniają całe promieniowanie pochodzące od powierzchni w użytecznym przedziale widmowym „zasłaniając” nam tym samym obraz wody. Wyjątkiem od tej reguły są cienkie chmury Cirrus przez, które czasami uda się nam dostrzec kolor oceanu.
Do monitorowania zakwitów sinic na Południowym Bałtyku wykorzystywane są dane z czujników:
- MODIS na satelitach Terra i Aqua,
- VIIRS na satelitach NOAA-21, NOAA-20 i S-NPP
- MSI na satelicie Senrinel-2.
MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) jest 36 kanałowym czujnikiem spektralnym mierzącym promieniowanie o długości fali od 0.4 µm do 14.4 µm i znajdującym się na pokładzie satelitów środowiskowych Terra i Aqua. Rozdzielczość przestrzenna danych MODIS wynosi: 250 m (dwa kanały w pasmie widzialnym), 500 m (5 kanałów w pasmie widzialnym i bliskiej podczerwieni) oraz 1 km (29 kanałów). Dane MODIS dla polskiego Wybrzeża dostępne są przedpołudniem i zazwyczaj mamy 1-4 przelotów w ciągu dnia (nie licząc przelotów nocnych, dla których nie ma danych z kanałów krótkofalowych).
VIIRS (Visible Infrared Imaging Radiometer Suite) to 22 kanałowy czujnik mierzący promieniowanie o długości fali od 0.40 µm do 12.40 µm i znajdujący się na pokładzie satelitów Suomi NPP, NOAA-20 i NOAA-21. Rozdzielczość przestrzenna danych VIIRS to 375 m (5 kanałów) i 750 m (17 kanałów). Dane VIIRS dla polskiego Wybrzeża dostępne są od 3-6 razy w ciągu dnia (nie wliczając nocnych przelotów).
Zarówno dane MODIS i VIIRS obejmują swoim zasięgiem całe polskie wybrzeże Bałtyku, ale ze względu na swoją rozdzielczość przestrzenną, nie pozwalają na poprawną ocenę koloru wody tuż przy brzegu. Taką możliwość dają dane czujnika MSI satelity Sentinel-2, których rozdzielczość przestrzenna wynosi 10 m, dzięki czemu możliwa jest detekcja zakwitów sinic blisko brzegu. Ze względu na tak dużą rozdzielczość przestrzenną obrazu, szerokość pasa zobrazowania jednego przelotu satelity wynosi tylko 290 km, przez co nie jest możliwe uchwycenie całego polskiego wybrzeża Bałtyku podczas jednego przelotu. Rozdzielczość czasowa dla obrazów Sentinel-2 w przypadku uwzględnienia obecnie działających dwóch satelitów (Sentinel-2A i Sentinel-2B) wynosi 5 dni w pasach pod satelitarnych i 2-3 dni na jego „skrzydłach” pokrywających się z trajektorii dwóch sąsiednich przelotów (grafika zamieszczona pod tekstem).
MSI (Multi Spectral Instrument) umieszczony na satelitach Sentinel-2 działa w wybranych 13 kanałach spektralnych w zakresie długości fali od 0.42 µm do 2.3 µm w rozdzielczości przestrzennej od 10 m do 60 m, w zależności od kanału.
Dane MSI z kanałów: B2-niebieski, B3-zielony, B4-czerwony posłużyły do stworzenia kompozycji TCI_Enh (True Colour Image Enhenced) ze zwiększonym kontrastem w celu wizualnego uwypuklenia interesującej nas cechy (w tym przypadku lepszego wizualnego zobrazowania potencjalnych miejsc objętych zakwitem sinic). Jest to odpowiednik kompozycji „Kolor oceanu” generowanej z danych MODIS i VIIRS.
Na podstawie danych MSI/Sentinel-2 generowany jest kolejny produkt prezentowany w serwisie, a mianowicie koncentracja chlorofilu-a w wodzie. Produkt ten jest wynikiem wielo-spektralnej analizy, wykonanej w programie ESA SNAP przy pomocy procesora C2RCC. Produkt ten nie jest zweryfikowany i ukazuje jedynie orientacyjnie zawartość chlorofilu-a w [mg] na [m3] wody. Produkt określający zawartość chlorofilu-a jest wrażliwy na wiele różnych czynników zniekształcających jego finalny wynik takich jak: przysłonięcie przez chmury cirrus, krawędzie chmur typy cumulus, wypłacenia wodne dlatego prosimy o dużą ostrożność podczas jego interpretacji. Nie mniej jednak obszary zakwitów sinic widoczne są na tym produkcie jako miejsca o wysokich wartościach chlorofilu-a.
Interpretacja obrazów
Kompozycja ‘Kolor oceanu’ z danych MODIS i VIIRS.
Kompozycja TCI-Enh z danych MSI.
Koncentracja chlorofilu-a w wodzie
Udostępnij
