Τηλεπισκόπηση αερολυμάτων σε παγκόσμιο επίπεδο από τον αισθητήρα MODIS

Από RemoteSensing Wiki

Global aerosol remote sensing from MODIS

Τηλεπισκόπηση αερολυμάτων σε παγκόσμιο επίπεδο από τον αισθητήρα MODIS
Συγγραφείς: C. Ichoku, Y.J. Kaufman, L.A. Remer, R. Levy
Πηγή: http://www.sciencedirect.com (Advances in Space Research Volume 34, Issue 4, 2004, Pages 820-827 Trace Constituents in the Troposphere and Lower Stratosphere)

Ιστορικό
Η μελέτη των ατμοσφαιρικών αερολυμάτων είναι ένα πολύ σημαντικό στοιχείο για την κατανόηση των επιδράσεων της ηλιακής ακτινοβολίας στην γη, στο νερό και την ισορροπία του κύκλου του και της αλλαγής του κλίματος. Τα σωματίδια των αερολυμάτων στην ατμόσφαιρα ανάλογα με τις χημικές και φυσικές τους ιδιότητες επηρεάζουν το σύνολο των διεργασιών που λαμβάνουν χώρα στη γη σε παγκόσμιο επίπεδο. Ένα σημαντικό βήμα για την κατανόηση των πολύπλοκων επιπτώσεων των αερολυμάτων στην ατμόσφαιρα, είναι ο ποσοτικός προσδιορισμός τους με όσο καλύτερη ακρίβεια γίνεται. Αυτή η μελέτη χρησιμοποιεί δορυφορική τηλεπισκόπηση, το οποίο προσφέρει το πλεονέκτημα της παροχής του πιο εκτεταμένη κάλυψη στο συντομότερο χρονικό διάστημα, επιτρέποντας έτσι την καλύτερη παρακολούθηση της περιφερειακής και της παγκόσμιας κατανομής των αερολυμάτων συνδυασμό με τις διεργασίες που συμβαίνουν στη φύση.

Εικόνα1:Παγκόσμια απεικόνιση αερολυμάτων επίπεδο από MODIS στις 11 Αυγούστου 2001. Πρασινωπές αποχρώσεις αντιπροσωπεύουν περιοχές που κυριαρχούνται από χονδροειδή σωματίδια αερολυμάτων (σκόνη/αλατιθάλασσας), ενώ το κόκκινο αντιπροσωπεύει αποχρώσεις αυτών που κυριαρχούνται από σωματίδια αερολυμάτων ρύπανσης ή καπνού. Γκρίζες ζώνες δεν περιέχουν στοιχεία για αερολύματα επειδή η επιφάνεια(κυρίως εδαφικών εκτάσεων)είναι πολύ φωτεινή ή επειδή η περιοχή έχει έντονη νεφοκάλυψη. Τα ορθογώνια όρια που χρησιμοποιούνται σκοπό έχουν να δείξουν τα διάφορα είδη αερολυμάτων και δεν αντιπροσωπεύουν ακριβή όρια αυτών

Πηγή δεδομένων
Αποτελεί μια μέτρια ανάλυση απεικόνισης φασματοραδιομετρικών αισθητήρων(MODIS) που βρίσκονται πάνω στους δορυφόρους Terra, Aqua(Earth Observing System)σε 36 φασματικές ζώνες, οι οποίες κυμαίνονται από την ορατό έως το υπέρυθρο μήκος κύματος. Τα στοιχεία για κάθε ζώνη αποκτώνται σε μία από τις τρεις χωρικές αναλύσεις (250, 500, και 1000 m) ανάλογα με την διεργασία παρακολούθησης και την ταυτότητα του αερολύματος.
Σκοπός της μελέτης
Αυτή η εργασία παρουσιάζει την εφαρμογή και χρησιμότητα δορυφορικών συστημάτων και αισθητήρων MODIS για την μελέτη των αερολυμάτων(διανομής αερολυμάτων πάνω από την ξηρά και τον ωκεανό, σε διαφορετικές χρονικές και χωρικές αναλύσεις) σε παγκόσμιο, περιφερειακό, και τοπικό επίπεδο κατά τη διάρκεια διετούς περιόδου από τον Αύγουστος του 2000 έως τον Αύγουστος του 2002.

Μεθοδολογία
Τα χαρακτηριστικά, η σύνθεση, η μεταβολή της συγκέντρωση και η χωρική και χρονική κατανομή, των αερολυμάτων σε παγκόσμιο επίπεδο εξακολουθούν να μην ευρέως γνωστά πως αλληλεπιδρούν με τις διεργασίες της φύσης. Νέα στοιχεία από αισθητήρες δορυφόρων μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να κατανοηθεί η τρέχουσα κατάσταση και να δοθεί μια ώθηση στην προσπάθεια για την πρόβλεψη των κλιματικών αλλαγών στο μέλλον. Μια από τις μεγαλύτερες δυσκολίες για την τηλεπισκόπηση στην παρατήρηση των αερολυμάτων από το διάστημα είναι η απομόνωση του τμήματος της ηλιακής ακτινοβολίας που αντανακλάται από την ατμόσφαιρα σε σχέση με τη συνολική ακτινοβολία που παρατηρήθηκε από το δορυφορικό αισθητήρα στο πάνω μέρος της ατμόσφαιρας. Ο αλγόριθμος MODIS έχει δύο συνιστώσες, μία προσαρμοσμένη για την ανάκτηση πάνω από την ξηρά και μια για την ανάκτηση πάνω από τους ωκεανούς. Και οι δύο περιλαμβάνουν διάφορες διαδικασίες στατιστικής δειγματοληψίας των δεδομένων και την ομαδοποίηση των pixel. Οι αλγόριθμοι έχουν υποστεί μικρές αλλαγές για να προσαρμοστούν καλύτερα και να φιλτράρουν περιβαλλοντικές επιδράσεις, όπως τα σύννεφα, χιόνι, πάγος, λασπωμένο νερό, ήλιο και λάμψη.

Εικόνα2:Μηνιαίοιμέσοιόροιαερολυμάτων που εξάγονται από περιοχές κατανεμημένα σε διάφορα σημεία της γης (άνω ζεύγος) ή στη θάλασσα (κάτω ζεύγος). Οι θέσεις, κατηγοριοποιούνται σε Δυτικό (αριστερό ζεύγος) ή Ανατολικό (δεξιό ζεύγος) ημισφαίριο.

Αποτελέσματα
Το δορυφορικό σύστημα καταγραφής MODIS παρέχει τεράστιες ευκαιρίες για την μελέτη των χαρακτηριστικών και την κατανομή των αερολυμάτων σε διαφορετικές χωρικές και χρονικές κλίμακες πάνω στην γη και των ωκεανών. Μέσω των δορυφόρων Terra και Aqua παρέχεται από κοινού η δυνατότητα να παρατηρήσουμε τα αερολύματα πάνω από οποιαδήποτε θέση δύο φορές την ημέρα, ακόμα και σε ιδιαίτερα υψηλά γεωγραφικά πλάτη. Επιπλέον, λόγω της δυνατότητας ευρείας φασματική κάλυψη είναι το πρώτο δορυφορικό σύστημα αισθητήρων που μπορεί να διακρίνει χονδρόκοκκα και λεπτόκοκκα αερολύματα, ειδικότερα πάνω από τους ωκεανούς. Επιπλέον εξαιτίας των αυξημένων δυνατοτήτων του παρεχει ένα μεγάλο εύρος ικανότητας αναγνώρισης διαφορετικών τύπων αερολυμάτων (ρύπανση, καπνός, σκόνη, αλάτι της θάλασσας), παρέχοντας έτσι τη δυνατότητα να διακρίνουν μεταξύ φυσικών και ανθρωπογενών αερολυμάτων και να επιτύχουμε μεγαλύτερη ακρίβεια όσον αφορά τον ποιοτικό και ποσοτικό προσδιορισμό αερολυμάτων και τις επιπτώσεις αυτών στο κλίμα, σε παγκόσμιο επίπεδο .

Τα δεδομένα της εικόνας 2 αντιπροσωπεύουν δεδομένα αερολυμάτων που καλύπτουν την περίοδο 2 ετών μεταξύ Νοεμβρίου 2000 και Σεπτεμβρίου 2002 και σε γενικές γραμμές κατηγοριοποιούνται σε δυτικό και ανατολικό ημισφαίριο. Οι καμπύλες επιτρέπουν μια σαφή ποσοτική αντίληψη των περιφερειακών συγκεντρώσεων αερολυμάτων και χρόνιες τάσεις αυτών.

Εικόνα3: Μέσοι όροι αερολυμάτων (MODIS) πάνω από τοποθεσίες, που κυριαρχούνται από διαφορετικούς τύπους αερολύματος

Στην εικόνα 3 καταγράφονται τιμές των κυριοτέρων τύπων αερολυμάτων (ρύπανση, καπνός, σκόνη, αλάτι της θάλασσας) σε επιλεγμένες τοποθεσίες. Νέα Υόρκη και Ρώμη εκπροσωπούν την αστική ρύπανση, η οποία φαίνεται να είναι κυκλική και στις δύο πόλεις με υψηλά το καλοκαίρι και τα χαμηλά σημεία το χειμώνα. Παρά το γεγονός ότι στη Νέα Υόρκη φαίνεται να υφίσταται μια ελαφρώς υψηλότερη συνολική συγκέντρωση αερολυμάτων από ότι στην Ρώμη, είναι εκπληκτικό το πόσο παρόμοιες τάσεις εμφανίζουν οι δύο πόλεις παρά το γεγονός ότι βρίσκονται σε δύο ηπείρους που δεν σχετίζονται καθόλου μεταξύ τους. Alta Floresta-(Βραζιλία) και Mongu (Ζάμπια) αντιπροσωπεύουν αερολύματα καπνού, τα οποία παρουσιάζουν αιχμές κατά τα τέλη του καλοκαιριού (καύση βιομάζας) αν και η συγκέντρωση φαίνεται να είναι σημαντικά υψηλότερη σε Alta Floresta-από ό, τι πάνω στη Mongu, αντανακλώντας τη σχέση, στην εικόνα 2, μεταξύ του Αμαζονίου και της νότιας Αφρικής. Η Αραβική Θάλασσα και το Capo Verde παρουσιάζουν ισχυρή επιρροές της σκόνης από την έρημο Σαχάρα και την αραβική χερσόνησο. Πάνω από την Αραβική Θάλασσα, τα γεγονότα είναι σημαντικά εποχιακά, με τα πιο γνωστά (κορυφές) να συμβαίνουν το καλοκαίρι. Από την άλλη πλευρά, οι κορυφές είναι λιγότερο προφανείς για το Capo Verde, λόγω της τάση της Σαχάρας να δημιουργεί μεγάλα σύννεφα σκόνης τα οποία μεταφέρονται σε όλον τον Ατλαντικό. Σε αντίθεση με τους τρεις τύπους αερολύματος (ρύπανση, καπνός και σκόνη) τα αερολύματα που οφείλονται στο αλάτι της θάλασσας σχεδόν πάντα διατηρούν χαμηλή συγκέντρωση και ποτέ δεν απεικονίζουν οποιαδήποτε αξιοσημείωτη εποχικότητα. Αυτό είναι προφανές από τις παρατηρήσεις για Ταϊτή και Χονολουλού.

Συμπέρασμα

Το δορυφορικό σύστημα αισθητήρων MODIS είναι πραγματικά ένα πολύπλευρο εργαλείο επί των δορυφόρων Terra και Aqua για την χαρτογράφηση των αερολυμάτων σε παγκόσμιο, περιφερειακό, τοπικό επίπεδο και σε διαφορετικές χρονικές κλίμακες. Παρέχοντας την δυνατότητα διάκρισης των αερολυμάτων σε λεπτόκοκκα (κυρίως καπνός και χονδρόκοκκο(κυρίως σκόνη) επέτρεψε την παρακολούθηση της έντασης και την επίδραση της εποχικότητα σε διαφορετικούς τύπους αερολυμάτων σε διαφορετικές τοποθεσίες και περιοχές.