Ανίχνευση αερολυμάτων επάνω από ωκεανούς με χρήση της τηλεπισκόπησης

Από RemoteSensing Wiki

Πηγή

Αντικείμενο - Στόχος

Οι κύριοι στόχοι της παρούσας μελέτης είναι ο καθορισμός του οπτικού πάχους των αερολυμάτων και η διάκριση των διαφόρων τύπων αερολυμάτων με χρήση πολυφασματικών μετρήσεων της ακτινοβολίας. Οι υπολογισμοί μεταφοράς ακτινοβολίας χρησιμοποιήθηκαν για την προσομοίωση τριών καναλιών του MERIS στην περιοχή του κόκκινου και του εγγύς υπέρυθρου, τα οποία είναι αφιερωμένα στην ανάκτηση αερολυμάτων. Το μοντέλο μεταφοράς ακτινοβολίας για ένα συνδυασμένο σύστημα ατμόσφαιρας-ωκεανού είναι βασισμένο στη μέθοδο Matrix-Operator. Η υπόθεση της ύπαρξης ενός μόνον τύπου αερολυμάτων κατά τη διαδικασία της αξιολόγησης του μοντέλου οδηγεί σε σφάλματα για την εκτίμηση του πάχους του στρώματός τους. Σε περιοχές όπου αναμένεται ο εντοπισμός περισσότερων του ενός τύπων αερολυμάτων, απαιτείται περαιτέρω έρευνα για τον εντοπισμό τους. Σε γενικές γραμμές η σημασία της τηλεπισκόπησης αερολυμάτων καλύπτει δύο στόχους: τη διερεύνηση των συνεπειών στο κλίμα και την επίδραση που έχει η παρουσία τους στις ατμοσφαιρικές διορθώσεις δορυφορικών δεδομένων που χρησιμοποιούνται για την εκτίμηση ιδιοτήτων του εδάφους. Η επίδραση των αερολυμάτων της τροπόσφαιρας στο δυναμικό της γήινης ακτινοβολίας είναι ο πιο σημαντικός παράγοντας αβεβαιότητας στα κλιματικά μοντέλα. Το τροποσφαιρικά αερολύματα δεν έχουν μόνο άμεσες συνέπειες στο ισοζύγιο της ακτινοβολίας μέσω της σκέδασης και της απορρόφησής της, αλλά επηρεάζουν επίσης τη φωταύγεια των νεφώσεων λειτουργώντας ως πυρήνες συμπύκνωσης (cloud condensation nuclei-CCN). Η δυσχέρεια που ανακύπτει κατά την προσπάθεια συμπερίληψης των επιπτώσεων των αερολυμάτων στα κλιματικά μοντέλα, δεν είναι μόνο αποτέλεσμα της αβεβαιότητας ως προς την κατανόηση των φυσικών διεργασιών που συντελούν σε ανισορροπίες στο ισοζύγιο της ακτινοβολίας, αλλά επίσης της έλλειψης δεδομένων που αφορούν τις παγκόσμιες εκπομπές των αερολυμάτων. Αυτές οι πληροφορίες μπορούν μόνο να ανακτηθούν από διαστημικά συστήματα τηλεπισκόπησης. Η τηλεπισκόπηση του χρώματος των υδάτων των ωκεανών απαιτεί ακριβείς διορθώσεις στην επίδραση της ατμόσφαιρας στο σήμα του δορυφορικού αισθητήρα. Τα υπάρχοντα συστήματα διόρθωσης θα μπορούσαν να βελτιωθούν, εάν σε αυτά συμπεριληφθούν πληροφορίες για τους διάφορους τύπους αερολυμάτων. Η νέα γενιά δορυφορικών αισθητήρων όπως οι SeaWiFS, MERIS και MODIS θα είναι εξοπλισμένη με εργαλεία και όργανα τα οποία θα εντοπίζουν τηλεπισκοπικά τα αερολύματα πάνω από ωκεανών με ακρίβεια που δεν έχει επιτευχθεί μέχρι σήμερα. Η μελέτη αυτή περιγράφει τις δυνατότητες και τα προβλήματα που ανακύπτουν κατά την τηλεπισκόπηση αερολυμάτων με χρήση του αισθητήρα MERIS. Τα δορυφορικά δεδομένα προσομοιώθηκαν με τη χρήση ενός ολοκληρωμένου μοντέλου μεταφοράς ακτινοβολίας.

Υπολογισμοί μεταφοράς ακτινοβολίας για τα κανάλια του MERIS

Ο MERIS είναι ένα πολυφασματικό ραδιόμετρο που χρησιμοποιείται για την παρακολούθηση γεωφυσικών παραμέτρων με εξειδίκευση στην τηλεπισκόπηση του χρώματος των ωκεανών. Το εύρος του φάσματος θα είναι από 400nm έως 1040nm. Το ελάχιστο εύρος ζώνης είναι 2,5nm και τα κανάλια μπορούν να τοποθετηθούν ανά 1,25nm. Οι ακτινοβολίες προσομοιώθηκαν με τη χρήση ενός μοντέλου που χρησιμοποιεί τη μέθοδο Matrix-Operator, για την επίλυση των εξισώσεων μεταφοράς ακτινοβολίας. Η σκέδαση και η απορρόφηση του φωτός από τα ατμοσφαιρικά αερολύματα, το φυτοπλαγκτόν και την αιωρούμενη ύλη στον ωκεανό υπολογίστηκαν με βάση τη θεωρία Mie. Η αμφίδρομη ανάκλαση της επιφάνειας των ωκεανών προσομοιώθηκε με βάση τις διαφορετικές ταχύτητες ανέμων. Είναι αδύνατον να ανακτηθεί το σύνολο των φυσικοχημικών ιδιοτήτων των αερολυμάτων αποκλειστικά με τηλεπισκοπικές μετρήσεις. Για αυτόν το λόγο χρησιμοποιήθηκαν συγκεκριμένοι τύποι αερολυμάτων στα μοντέλα.

Ανάκτηση παραμέτρων των αερολυμάτων

Η συνολική ακτινοβολία στο δορυφόρο, Lsat, πάνω από την υδάτινη επιφάνεια μπορεί να περιγραφεί από την παρακάτω σχέση: Ο πρώτος και ο δεύτερος όρος της εξίσωσης αντιπροσωπεύουν το φως που σκεδάζεται προς το δορυφόρο από αερολύματα και ατμοσφαιρικά σωματίδια. Ο τρίτος όρος εκφράζει την επίδραση του φωτός του ηλίου. Ο όρος Lw αποδίδει την ακτινοβολία που ανακλά το νερό και ο όρος Lx όλους τους υπόλοιπους παράγοντες. Ο τελευταίος όρος μπορεί να εξηγηθεί φυσικά, αν υπολογιστεί το γεγονός ότι οι υπόλοιποι όροι της εξίσωσης αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Η ανάκτηση των παραμέτρων που αφορούν τα αερολύματα μπορεί να πραγματοποιηθεί αν υπολογιστεί το ποσό της ακτινοβολίας που σκεδάζεται προς το δορυφόρο από τα αερολύματα, δηλαδή μέσω του υπολογισμού του όρου La. Ο συγκεκριμένος όρος μπορεί να υπολογιστεί από τη μετρούμενη ακτινοβολία στο δορυφόρο. Τα αποτελέσματα των μετρήσεων οδήγησαν στην επιλογή της κατάλληλης περιοχής του φάσματος για τα κανάλια του MERIS με σκοπό την ανάκτηση πληροφοριών για τα αερολύματα, δηλαδή στην περιοχή του ερυθρού και του εγγύς υπέρυθρου. Εξαιτίας της υψηλής συγκέντρωσης τροποσφαιρικών αερολυμάτων κοντά στην επιφάνεια των υδάτων, τα κανάλια της απορρόφησης ατμοσφαιρικών αερίων, θα πρέπει να αποφεύγονται. Τα κύρια μήκη κύματος για τα τρία κανάλια τηλεπισκόπησης αερολυμάτων είναι: 755nm, 870 ή 880nm και 1022.5nm.

Ανάκτηση οπτικού πάχους αερολυμάτων

Τα δεδομένα οπτικά βάθη σε αυτή τη μελέτη είναι πάντα καθορισμένα για 550nm και για ένα ευθύ πέρασμα διαμέσου της ατμόσφαιρας. Στο διάγραμμα παρατηρείται ότι στο κανάλι των 750nm οι ακτινοβολίες εμφανίζονται στην κορυφή του διαγράμματος, ως λειτουργία του βάθους των αερολυμάτων. Η αύξηση της ακτινοβολίας είναι γραμμική όταν συμβαίνει αποκλειστικά και μόνον σκέδαση του φωτός. Για αερολύματα με μεγαλύτερη απορρόφηση, όπως τα αστικά αερολύματα, αυτό δεν μπορεί να βρεθεί. Τα πολλαπλά φαινόμενα σκέδασης οδηγούν σε απόκλιση της ακτινοβολίας από μία γραμμική αύξηση. Το φαινόμενο αυτό γίνεται ισχυρότερο για υψηλότερο οπτικό πάχος, όταν αυξάνεται η πιθανότητα για πολλαπλά φαινόμενα σκέδασης. Για τους διάφορους τύπους αερολυμάτων υπάρχει διαφορετική κλίση στις καμπύλες. Η κλίση δεν είναι μόνο αποτέλεσμα του συντελεστή σκέδασης, αλλά επίσης της λειτουργίας φάσης και του συντελεστή απορρόφησης. Οι ποσότητες αυτές χαρακτηρίζουν τους διάφορους τύπους αερολυμάτων. Ένας λάθος υπολογισμός του τύπου αερολυμάτων, μπορεί να οδηγήσει σε σφάλματα κατά την ανάκτηση του οπτικού πάχους.

Ανάκτηση του τύπου των αερολυμάτων

Η επόμενη γενιά αισθητήρων στους δορυφόρους προσφέρει τη δυνατότητα ανάκτησης του είδους των αερολυμάτων μέσω της διαφορετικής φασματικής «συμπεριφοράς» του κάθε τύπου. Μια απλή μέθοδος εκτίμησης για τον τύπο των αερολυμάτων είναι η χρήση του λόγου μεταξύ καναλιών. Ο λόγος είναι ανεξάρτητος του οπτικού πάχους των αερολυμάτων, όταν γίνεται η παραδοχή ότι δεν υπάρχουν πολλαπλά φαινόμενα σκέδασης. Η τιμή του λόγου αυτού μπορεί να υπολογιστεί με είτε βάση εμπειρικά μοντέλα, είτε μέσω της θεωρίας Mie. Τα μειονεκτήματα της συγκεκριμένης μεθόδου είναι εμφανή. Τα αερολύματα δεν εμφανίζονται πάντα σε συγκεκριμένους τύπους, χωρίς προσμίξεις. Ο λόγος μεταξύ των τιμών της ακτινοβολίας δύο «αγνών» τύπων αερολυμάτων είναι πιθανόν να έχει την ίδια τιμή με την ακτινοβολία που αντιστοιχεί σε κάποιον τρίτο τύπο αερολυμάτων. Το φαινόμενο αυτό εμφανίζεται στην περίπτωση των αστικών αερολυμάτων. Εν τούτοις είναι αδύνατη η χρήση της μεθόδου εάν προκύψουν περισσότεροι από δύο τύποι αερολυμάτων. Επιπροσθέτως, υπάρχει μια ελαφρά εξάρτηση της τιμής του λόγου από το οπτικό πάχος, λόγω πολλαπλών φαινομένων σκέδασης. Το φαινόμενο αυτό ενισχύεται όταν εμπλέκονται απορροφητικά αερολύματα. Οι περιορισμοί αυτοί είναι συχνοί, όταν πρόκειται για μεθόδους που διερευνούν ξεχωριστά τον κάθε τύπο αερολυμάτων. Αυτός είναι ο λόγος που είναι χρήσιμη η ταυτόχρονη ανάκτηση. Τρεις διαφορετικές μέθοδοι που χρησιμοποιούν στατιστικές και ημι-στατιστικές προσεγγίσεις έχουν προταθεί για την ταυτόχρονη ανάκτηση διαφορετικών τύπων αερολυμάτων και για τον υπολογισμό του οπτικού πάχους. Όλες οι μέθοδοι είναι βασισμένες σε πίνακες οι οποίοι δημιουργήθηκαν από υπολογισμούς μεταφοράς ακτινοβολίας και εμπεριέχουν τιμές ακτινοβολίας από τα τρία κανάλια του MERIS, τα οποία με τη σειρά τους αντιστοιχούν σε τρεις συγκεκριμένους τύπους αερολυμάτων. Οι πίνακες επίσης εμπεριέχουν πληροφορίες για τις τιμές της ακτινοβολίας που εμφανίζουν διάφορες αναμίξεις μεταξύ τους, καθώς και τιμές για διάφορα οπτικά πάχη. Η ημι-στατιστική προσέγγιση αναφέρεται στο λόγο μεταξύ των τιμών της ακτινοβολίας σε δύο διαφορετικά μήκη κύματος κατά τη διαδικασία ανάκτησης, ενώ έχουν προταθεί δύο στατιστικές προσεγγίσεις, οι οποίες χρησιμοποιούνται για την εύρεση της «πλησιέστερης γειτονιάς» των τιμών της ακτινοβολίας. Οι τρεις διαφορετικές μέθοδοι παρέχουν παρόμοια αποτελέσματα. Η επίδραση έστω και του παραμικρού σφάλματος κατά τη διαδικασία ανάκτησης του τύπου των αερολυμάτων είναι τόσο σημαντική, που μπορεί να οδηγήσει σε αδυναμία διάκρισης μεταξύ διαφορετικών τύπων. Παρ’όλα αυτά, η διάκριση μεταξύ δύο τύπων αερολυμάτων με ολικό οπτικό πάχος μεγαλύτερο του 0,2, ίσως είναι δυνατή με μια ακρίβεια της τάξης του ±0,5% για το ολικό οπτικό πάχος του κάθε τύπου ξεχωριστά. Τα σφάλματα λόγω της ανεπαρκούς γνώσης των πιέσεων που επικρατούν στην επιφάνεια είναι μηδαμινά. Η διαδικασία ανάκτησης αερολυμάτων απαιτεί ακρίβεια στον καθορισμό της πίεσης της επιφάνειας μεταξύ 12 και 50hPa, ανάλογα με τη γεωμετρία λήψης. Για χρηστικούς λόγους, οι πίνακες θα πρέπει να συμπληρωθούν με τιμές ακτινοβολίας που αντιστοιχούν σε φυσικές μεταβλητές ατμοσφαιρικών συνθηκών και συνθηκών που επικρατούν στους ωκεανούς, καθώς και μεταβλητές που αντιστοιχούν στις διάφορες γεωμετρίες παρατήρησης. Μολαταύτα, αυτή η πρώιμη μελέτη επιδεικνύει τις δυνατότητες της ανάκτησης αερολυμάτων με τη χρήση του εργαλείου MERIS.

Συμπεράσματα

Η νέα γενιά αισθητήρων (ειδικά ο αισθητήρας MERIS) θα βελτιώσει τις δυνατότητες της τηλεπισκόπησης των ιδιοτήτων των αερολυμάτων πάνω από τους ωκεανούς. Για την ανάκτηση των αλγορίθμων θα πρέπει να λαμβάνονται υπόψη τα πολλαπλά φαινόμενα σκέδασης καθώς και η αλληλεπίδραση μεταξύ της σκέδασης αερολυμάτων και λοιπών πυρήνων. Επιπροσθέτως, είναι απαραίτητα στοιχεία που αφορούν την τραχύτητα των ωκεανών, την πίεση στην επιφάνεια και την υγρασία της ατμόσφαιρας. Τα περισσότερα από αυτά τα μεγέθη θα πρέπει να εκτιμηθούν από μετρήσεις άλλων εργαλείων του ENVISAT. Παρόλο που ο MERIS παρέχει μετρήσεις για την τηλεπισκόπηση της πίεσης της επιφάνειας και την υγρασία, η ακρίβειά του θα πρέπει να πιστοποιηθεί. Περαιτέρω ενέργειες θα πρέπει να επικεντρωθούν στην πιστοποίηση των τύπων αερολυμάτων μέσω ρεαλιστικών στοιχείων που αφορούν τα αερολύματα και της εξάρτησης των ιδιοτήτων των αερολυμάτων από την υγρασία. Διεθνείς μελέτες όπως το Πείραμα για τον Χαρακτηρισμό Αερολυμάτων (Aerosol Characterization Experiment) θα βοηθήσουν στη διαδικασία σύνδεσης των φυσικοχημικών με τις οπτικές ιδιότητες των αερολυμάτων.