Δορυφορική Τηλεπισκόπηση για τη Βιολογία των Ωκεανών: Μια Ινδική Προοπτική
Από RemoteSensing Wiki
Πρωτότυπος τίτλος: Satellite Remote Sensing for Ocean Biology: An Indian Perspective
Συγγραφείς: Chauhan, P., Raman
Ημ/νία δημοσίευσης: 29 Νοεμβρίου 2017
Σύνδεσμος πρωτότυπου κειμένου: https://link.springer.com/article/10.1007/s40010-017-0439-5
Εισαγωγή
Η εφαρμογή διαστημικής τεχνολογίας στην ωκεανογραφία και τη μελέτη θαλάσσιων οικοσυστημάτων αποτελεί κρίσιμο ερευνητικό πεδίο. Ο ωκεάνιος βιόκοσμος και συγκεκριμένα το φυτοπλαγκτόν διαδραματίζει βασικό ρόλο στη ρύθμιση του ενεργειακού ισοζυγίου της Γης. Οι οργανισμοί αυτοί αποτελούν αποθήκες του ατμοσφαιρικού άνθρακα αλλά και πρωτογενείς παραγωγοί στις τροφικές αλυσίδες. Η Ινδία, αναγνωρίζοντας τη στρατηγική σημασία αυτών των παρατηρήσεων, επένδυσε στην ανάπτυξη εθνικών δυνατοτήτων, εκτοξεύοντας τους δορυφόρους ωκεάνιου χρώματος OCM-1 και OCM-2, εξασφαλίζοντας συστηματική παρακολούθηση των υδάτων της Αραβικής Θάλασσας και του Κόλπου της Βεγγάλης με σκοπό την κατανόηση του θαλάσσιου οικοσυστήματος, καθώς και του εντοπισμού παραγωγικών περιοχών για πιθανές αλιευτικές ζώνες. Η παρούσα εργασία παρέχει μια ανασκόπηση του έργου που έχει γίνει στην Ινδία κατά τις τελευταίες τρεις δεκαετίες στον ευρύ τομέα της διαστημικής θαλάσσιας βιολογίας.
Θεωρητικό υπόβαθρο
Η τηλεπισκόπηση χρώματος ωκεανού αποτελεί βασικό εργαλείο για την παρακολούθηση συγκέντρωσης φυτοπλαγκτόν. Μέσω της φασματικής ανακλαστικότητας επιτρέπεται η ανίχνευση και η χαρτογράφηση. Η εκτίμηση της ποσότητας του φυτοπλαγκτόν, των αιωρούμενων ιζημάτων και της διαλυμένης οργανικής ύλης προκύπτουν από την παρατήρηση των διακυμάνσεων χρώματος των υδάτων. Όλα τα είδη φυτοπλαγκτόν περιέχουν τη φωτοσυνθετική χρωστική της χλωροφύλλης – α, η οποία απορροφά περισσότερο μπλε και πράσινο, με αποτέλεσμα στις περιοχές συγκέντρωσης η επιφάνεια του νερού να εμφανίζεται πράσινη. Οι περισσότεροι αισθητήρες χρώματος ωκεανού έχουν φασματικές ζώνες στην μπλε/πράσινη περιοχή του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος μαζί με τουλάχιστον δύο φασματικές ζώνες στην περιοχή εγγύς υπέρυθρου (NIR) για τον χαρακτηρισμό των θαλάσσιων αερολυμάτων . Στον πίνακα 1 αναγράφονται κάποιες από του πιο σημαντικούς αισθητήρες χρώματος ωκεανού και οι φασματικές ζώνες τους.
Εικόνα 1: Χρωματικές διακυμάνσεις θαλασσινού νερού στην Αραβική Θάλασσα και στον κόλπο της Βεγγάλης
Έχουν αναπτυχθεί αρκετοί βιο-οπτικοί αλγόριθμοι οι οποίοι:
1) συσχετίζουν τη φασματική ακτινοβολία με την συγκέντρωση φυτοπλαγκτονικών χρωστικών/αιωρούμενων ιζημάτων. Οι αισθητήρες ωκεάνιου χρώματος χρησιμοποιούν φασματικές ζώνες στις περιοχές του μπλε/πράσινου και του υπέρυθρου για να μετρήσουν το χρώμα του νερού και να αφαιρέσουν την επίδραση των αερολυμάτων.
2) συσχετίζουν τις μετρήσεις της ακτινοβολίας των ωκεανών με τις in situ συγκεντρώσεις χρωστικών φυτοπλαγκτόν. Τα Σχήματα 2 και 3 δείχνουν την κατανομή του φυτοπλαγκτόν στον Κόλπο της Βεγγάλης και την Αραβική Θάλασσα, όπως καταγράφηκε από το όργανο OCEANSAT OCM.
Πίνακας 1:Λίστα σημαντικών αισθητήρων χρώματος ωκεανού και οι φασματικές ζώνες τους
Μεθοδολογία
Δορυφορικά δεδομένα OCM
Η υψηλή χωρική (360 m) και χρονική ανάλυση (ανά 2 ημέρες) των OCM 1-2 επέτρεψε την καταγραφή των χωχροχρονικών διακυμάνσεων κατανομής στη βιομάζα του φυτοπλαγκτόν και επίλυσε την κυκλοφορία μικρής κλίμακας ( όπως μαιάνδροι, δίνες και νημάτια), με το φυτοπλαγκτόν να λειτουργεί ως ιχνηθέτης των φυσικών διεργασιών. Τα δεδομένα έδειξαν αυξημένη φυτοπλαγκτονική παραγωγικότητα στη δυτική Αραβική Θάλασσα λόγω ανοδικών ρευμάτων, ενώ ο Κόλπος της Βεγγάλης παρουσίασε χαμηλότερες συγκεντρώσεις, γεγονός που συνδέεται με τη διαφορετική φυσική και βιογεωχημική δυναμική των δύο περιοχών.
Εφαρμογές
Διαχείριση αλιευτικών πόρων
Η τηλεπισκόπηση διευκόλυνε μέσω της διαστημικής παρατήρησης την αξιολόγηση και τον εντοπισμό πιθανών περιοχών συσσώρευσης αλιευτικών πόρων. Ο συνδυασμός δεδομένων χλωροφύλλης-a και θερμοκρασίας επιφάνειας θάλασσας (SST) επέτρεψε την ανάπτυξη επιχειρησιακών χαρτών δυνητικών αλιευτικών ζωνών (PFZ). Οι εικόνες χρώματος ωκεανού αποτυπώνουν την ποσότητα φυτοπλαγκτόν ως συγκέντρωση χλωροφύλλης- α, ενώ οι εικόνες θερμοκρασίας της θάλασσας αποτυπώνουν τις ωκεανογραφικές διεργασίες. Σε ανάλυση κόστους-οφέλους η εφαρμογή αυτών των προϊόντων οδήγησε σε αύξηση της αποδοτικότητας της αλιείας και σε μείωση του λειτουργικού κόστους. Μια ολοκληρωμένη προσέγγιση που χρησιμοποιεί τόσο το χρώμα του ωκεανού από το OCM όσο και το SST (Sea Surface Temperature) από τα δεδομένα AVHRR αναπτύχθηκε και τέθηκε σε λειτουργία για την πρόβλεψη των Ζωνών Αλιείας (PFZ) (Εικόνα 2).
Εικόνα 2: συγκέντρωση χλωροφύλλης-α που προέρχεται από το OCM μαζί με τα περιγράμματα SST για την εύρεση περιοχών PFZ
Ανίχνευση ανθίσεων φυτοπλαγκτόν
Οι ανθίσεις φυτοπλαγκτόν εμφανίζονται ξαφνικά και συγκεντρώνονται σε πυκνά ορατά σημεία, ενώ η εξάπλωση μπορεί να γίνει με ταχύτατους ρυθμούς ( Εικόνα 3). Ενδέχεται να είναι τόσο τοξικές όσο και μη τοξικές. Μέσα από δεδομένα ημερησίων και εβδομαδιαίων μέσων όρων χλωροφύλλης-α από OCM και αξιοποίηση φασμάτων ανακλαστικότητας από διάφορες ζώνες από MODIS, διασφαλίζεται η έγκαιρη ανίχνευση τοξικών και μη τοξικών ανθίσεων φυτοπλαγκτόν, καθώς και η διάκριση ειδών όπως Noctiluca miliaris και Trichodesmium . Επιπλέον, ένας συνδυασμός ημερήσιων και εβδομαδιαίων μέσων όρων χλωροφύλλης -α που προέρχεται από το OCM , οπτικού βάθους αερολυμάτων, στιγμιαίας φωτοσυνθετικά διαθέσιμης ακτινοβολίας (IPAR) και ανέμων QuickSCAT χρησιμοποιήθηκε για να εξηγηθεί η διαχρονική μεταβλητότητα στην ένταση του σχηματισμού της άνθισης. Η παρακολούθηση αυτή είναι κρίσιμη τόσο για την προστασία της δημόσιας υγείας όσο και για τη διαχείριση των θαλάσσιων οικοσυστημάτων.
ΕΙΚΟΝΑ 3: Σύνθετη εικόνα από OCM (R: 443/555; G: 490/555; B: 510/555) της βόρειας Αραβικής Θάλασσας, 11 Φεβρουαρίου 2017, η οποία δείχνει ανομοιογενή κατανομή της άνθισης των φυκιών Noctiluca miliaris (είδος δινομαστιγοφόρου φυκιού). Η ένθετη εικόνα δείχνει κύτταρα του Notiluca miliaris και φωτογραφία πεδίου της Αραβικής Θάλασσας με χρώμα παπαγάλου σε νερά που κυριαρχούνται από Notiluca
Εκτίμηση πρωτογενούς παραγωγικότητας
Το φυτοπλαγκτόν αποτελεί ζωτική δύναμη της θαλάσσιας ζωής και ταυτόχρονα ρυθμίζει τη δυναμική του άνθρακα. Η δυνατότητα εντοπισμού του χρόνου, του χώρου και της ποσότητας της συγκέντρωσης πρωτογενούς παραγωγής είναι απαραίτητη τόσο για την πρόβλεψη και την εξέλιξη του κύκλου του άνθρακα όσο και για τη διαχείριση των αλιευτικών αποθεμάτων. Η πρωτογενής παραγωγή εκτιμήθηκε μέσω μοντέλων που συνδυάζουν τη συγκέντρωση χλωροφύλλης-a, τη φωτοσυνθετικά διαθέσιμη ακτινοβολία (PAR), την φωτοπερίοδο, τον συντελεστή διάχυτης εξασθένησης και τις οπτικές ιδιότητες του νερού. Έχει αναπτυχθεί ένα ολοκληρωμένο σε βάθος μη φασματικό αναλυτικό μοντέλο για την εκτίμηση της πρωτογενούς παραγωγής των ωκεανών χρησιμοποιώντας δεδομένα OCM και in situ ( Εικόνα 2) .Οι δορυφορικές εκτιμήσεις παρουσίασαν ικανοποιητική συμφωνία με επιτόπιες μετρήσεις, εντός αποδεκτών ορίων αβεβαιότητας.
Εικόνα 4: εικόνα OCEANSAT OCM, κατανομή φυτοπλαγκτόν κατά τον Ιούλιο 2002 στην Αραβική Θάλασσα και στον Κόλπο της Βεγγάλης
Εκτίμηση της Φωτοσυνθετικά Διαθέσιμης Ακτινοβολίας (PAR) Χρησιμοποιώντας Δεδομένα OCM
Στο πλαίσιο των ινδικών προγραμμάτων παρατήρησης, αναπτύχθηκε αρχικά μοντέλο καθαρού ουρανού για τον υπολογισμό της PAR από δεδομένα OCM-1, χωρίς να υπολογίζει τα νέφη. Αυτό βελτιώθηκε με την εφαρμογή ενός προηγμένου μοντέλου μεταφοράς ακτινοβολίας που τρέχει σε κάθε pixel και είναι σε θέση να υπολογίζει την στιγμιαία PAR το μεσημέρι, τη συνολική ημερήσια PAR και τη μέση ημερήσια PAR, και να λειτουργεί υπό και καθαρές και νεφελώδεις συνθήκες. Η ακρίβειά του είναι εντός των αποδεκτών ορίων για δορυφορικά δεδομένα, με τυπικό σφάλμα ±10%.
Παραγωγικότητα από κυκλώνα
Οι κυκλώνες λόγω των ανέμων υψηλής έντασης έχουν την ικανότητα να μετακινούν τα θρεπτικά συστατικά των υδάτινων μαζών στην επιφάνεια καταργώντας την κάθετη στρωματοποίηση τους. Ο βραχύβιος εμπλουτισμός του ανωτέρου επιπέδου ενισχύει τη βιολογική παραγωγή. Σύμφωνα με δεδομένα OCM και MODIS της μελέτης των κυκλώνων Phailin σημειώθηκε σημαντική αύξηση στη συγκέντρωση χλωροφύλλης κατά μήκος της διαδρομής του κυκλώνα αλλά και πτώση της θερμοκρασίας. Μελετήθηκε η συχνότητα των κυκλωνικών διαταραχών στην Αραβική Θάλασσα και τον Κόλπο της Βεγγάλης και η επίδρασή τους στη διαμόρφωση των προτύπων παραγωγικότητας χρησιμοποιώντας 10ετή δεδομένα χλωροφύλλης και SST από τα SeaWiFS και NOAA-AVHRR. Αυτή η μελέτη αποκάλυψε ότι η συγκέντρωση χλωροφύλλης και η SST επηρεάστηκαν από διάφορες κατηγορίες κυκλωνικών διαταραχών με βάση την παρατεταμένη ένταση και τη διάρκεια της ταχύτητας του ανέμου.
Εκτίμηση Τάξεων Μεγέθους Φυτοπλαγκτόν Χρησιμοποιώντας Δεδομένα OCM
Οι δορυφόροι χρώματος των ωκεανών αποδίδουν σε συνοπτική κλίμακα τη βιομάζα του φυτοπλαγκτόν. Η δέσμευση του άνθρακα σε οργανική ύλη μέσω φωτοσύνθεσης είναι εφάμιλλη της παραγωγής σε χερσαία φυτά. Η πορεία του άνθρακα, το αν δηλαδή θα αποθηκευτεί στο βάθος του ωκεανού ή θα απελευθερωθεί ξανά στην ατμόσφαιρα, εξαρτάται από την δομή της ομάδας του φυτοπλαγκτόν από την πληθώρα και τον λειτουργικό του ρόλου. Τρεις ευρείες κατηγορίες μεγέθους αναγνωρίζονται στο πλαίσιο του χρώματος των ωκεανών: το pico φυτοπλαγκτόν που κυμαίνεται από 0,2 έως 2 μm, το nano- πλαγκτόν που κυμαίνεται από 2 έως 20 μm και το micro-πλαγκτόν που κυμαίνεται σε μέγεθος από 20 έως 200 μm (Εικόνα 5). Στο πλαίσιο της κλιματικής αλλαγής για την πρόβλεψη περιβαλλοντικών μεταβολών του θαλάσσιου οικοσυστήματος, η γνώση τύπων και τάξεων μεγέθους φυτοπλαγκτόν είναι απαραίτητη.
Εικόνα 5: ποσοστά μεγέθους τάξεων micro, nano and pico phytoplankton που εκτιμήθηκαν από OCM-2 χλωροφύλλη, 14 Μαρτίου 2011, στα ανοιχτά των ακτών του Γκουτζαράτ, Αραβική Θάλασσα
Συζήτηση – Προοπτικές
Η αξιοποίηση των δεδομένων ωκεάνιου χρώματος έχει συμβάλει ουσιαστικά στην κατανόηση της θαλάσσιας βιολογίας και των βιογεωχημικών κύκλων στον Ινδικό Ωκεανό. Ιδιαίτερη πρόκληση αποτελεί η δημιουργία μακροχρόνιων, ομοιογενών χρονοσειρών για τη μελέτη των επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής. Η μελλοντική αποστολή OCEANSAT-3 αναμένεται να ενισχύσει τις δυνατότητες παρακολούθησης, παρέχοντας περισσότερα φασματικά κανάλια και πληροφορίες για τη φθορίζουσα εκπομπή του φυτοπλαγκτού.
Συμπεράσματα
Η διαστημική τηλεπισκόπηση ωκεάνιου χρώματος αποτελεί αναπόσπαστο εργαλείο της σύγχρονης θαλάσσιας βιολογίας. Η εμπειρία της Ινδίας καταδεικνύει ότι τα δεδομένα OCM μπορούν να υποστηρίξουν τόσο τη βασική έρευνα όσο και επιχειρησιακές εφαρμογές, συμβάλλοντας στην κατανόηση της πρωτογενούς παραγωγικότητας, στη βιώσιμη διαχείριση των θαλάσσιων πόρων και στη μελέτη της κλιματικής μεταβλητότητας.
*
