RemoteSensing Wiki - Συνεισφορές χρήστη [el]

Πιπίνη Μαγδαληνή Ιώ

2019-02-12T22:32:57Z

Pmagdaleneio:

[[Τηλεπισκόπηση στο ορεινό περιβάλλον: Εφαρμογές σε ορεινές προστατευόμενες περιοχές βιόσφαιρας|'''Τηλεπισκόπηση στο ορεινό περιβάλλον: Εφαρμογές σε ορεινές προστατευόμενες περιοχές βιόσφαιρας''' (''> Ποιότητα τοπίου'')]]

[[Παρατήρηση πετρελαιοκηλίδων σε θερμική απεικόνιση Landsat: Η περίπτωση Deepwater Horizon|'''Παρατήρηση πετρελαιοκηλίδων σε θερμική απεικόνιση Landsat: Η περίπτωση Deepwater Horizon''' (''>Χαρτογραφηση και παρακολούθηση πετρελαιοκηλίδων>Ωκεανοί και Ακτές>Διαχείριση Κινδύνων'')]]

[[Εντοπισμός βιοφωταυγούς γαλακτερής θάλασσας από το διάστημα|'''Εντοπισμός βιοφωταυγούς γαλακτερής θάλασσας από το διάστημα''' (''>Οικολογία'')]]

[[Εκτίμηση εξατμισοδιαπνοής στην Βραζιλία με την χρήση NDVI δεδομένων|'''Εκτίμηση εξατμισοδιαπνοής στην Βραζιλία με την χρήση NDVI δεδομένων''' (''(1)>Χαρτογράφηση υδροκριτών, υδρολογικών λεκανών, μορφολογικών χαρακτηριστικών του αναγλύφου και υδρογραφικού δικτύου>Υδατικοί Πόροι/ (2)> Χαρτογράφηση βλάστησης λεκάνων απορροής / μοντελοποίηση παραγωγής νερού>Δασοπονία, Δασική διαχείριση'')]]

[[Τηλεπισκόπιση Πλημμυρών και Πλημμυρικά Ευαίσθητων Περιοχών: Μια Επισκόπηση|'''Τηλεπισκόπιση Πλημμυρών και Πλημμυρικά Ευαίσθητων Περιοχών: Μια Επισκόπηση''' (''>Εκτίμηση Καταστροφών πλημμυρών>Διαχείριση Κινδύνων'')]]

[[Χαρτογράφηση Δρυμύτητας Πυρκαγιών βάσει απεικονίσεων Landsat - 8 και WorldView - 2|'''Χαρτογράφηση Δρυμύτητας Πυρκαγιών βάσει απεικονίσεων Landsat - 8 και WorldView - 2''' (''>Δασικές Πυρκαγιές>Διαχείριση Κινδύνων'')]]

[[category:ΔΠΜΣ "Περιβάλλον & Ανάπτυξη" (Αθήνα) ]]

Χαρτογράφηση Δρυμύτητας Πυρκαγιών βάσει απεικονίσεων Landsat - 8 και WorldView - 2

2019-02-12T22:29:37Z

Pmagdaleneio:

Vegetation Burn Severity Mapping Using
Landsat-8 and WorldView-2
Zhuoting Wu, Barry Middleton, Robert Hetzler, John Vogel, and Dennis Dye
Photogrammetric Engineering & Remote Sensing
Vol. 81, No. 2, February 2015, pp. 143–154.
doi: 10.14358/PERS.81.2.143

[https://www.ingentaconnect.com/content/asprs/pers/2015/00000081/00000002/art00005?utm_source=TrendMD&utm_medium=cpc&utm_campaign=Photogrammetric_Engineering_%252526_Remote_Sensing_TrendMD_0# Πηγή]

[[Εικόνα:pipinimfiresimage01.jpg|thumb|right|Εικόνα 1 Χάρτης κάλυψης γης της περιοχής μελέτης Point of Pines (δεξιά) του Καταφυγίου Apache San Carlos, Arizona, USA (που επισημαίνενται σε κύκλο αριστερά). Οριοθετείται (δεξιά με γκρί περίγραμμα) η περιοχή εκδήλωσης της πυρκαγιάς Creek, εντός της περιοχής μελέτης, τον Ιούνιο 2013.]]

[[Εικόνα:pipinimfiresimage02.jpg|thumb|right|Εικόνα 2 Δείκτες αξιολόγησης της έντασης καύσης βλάστησης της πυρκαγιάς Creek στο Καταφύγιο Apache το San Carlos βάσει του Landsat – 8.]]

[[Εικόνα:pipinimfiresimage03.jpg|thumb|right|Εικόνα 3 Οικόπεδα έρευνας πεδίου (Composite Burn Index Plots) (n=33) για την ανάλυση έντασης καύσης και τυχαία σημεία (n=270) για την αξιολόγηση της ταξινόμησης κομοστέγης βάσει της απεικόνισης WorldView – 2. To χαρτογραφικό υπόβαθρο είναι σύνθετο φυσικού χρώματος της απεικόνισης WorldView – 2, που λήφθηκε μετά την εκδήλωση της πυρκαγιάς, στις 29 Ιουλίου 2013. Οι κάτωαπεικονίσεις σε μεγένθυση δείχουν τον προσδιορισμό της κομοστέγης και την αξιολόγηση της καμμένης κομοστέγης από τις απεικονίσεις WorldView – 2 πριν την πυρκαγιά (Μαΐος 2013) και μετά την πυρκαγία (Ιούλιος 2013).]]

[[Εικόνα:pipinimfiresimage04.jpg|thumb|right|Εικόνα 4 Χαρτογράφηση κομοστέγης πριν την πυρκαγιά (αριστερά) και μετά την πυρκαγιά (δεξιά) προερχόμενη από ταξινόμηση βάσει pixel (b) και αντικειμένων (c) απεικονίσεων WorldView – 2. H πολυφασματική ταξινόμηση WorldView – 2 απεικονίζεται σε φυσικά χρώματα (R, G, B = 5, 3, 2) (a) και τα όρια της μεγέθυνσης (b) και (c) των καμμένων δασοτόπων ponderosa pine και pinyon – juniper επισημαίνονται.]]

[[Εικόνα:pipinimfiresimage05.jpg|thumb|right|Εικόνα 5 Απόλυτες τιμές των συντελεστών συσχέτισης Pearson από τις επτά διαφορές των δεικτών των απεικονίσεων Landsat πριν και μετά την πυρκαγιά (σε κατάταξη αντίστοιχη με την συσχέτιση) με τις χαρτογραφήσεις απώλειας κομοστέγης από τον WorldView – 2 (Ν = 116 945 pixels)]]

[[Εικόνα: pipinimfiresimage06.jpg|thumb|right|Εικόνα 6 Συντελεστές συσχέτισης για την απόδοση της απώλειας κομοστέγης βάσει WorldView – 2 και της έντασης καύσης βάσει του Landsat – 8 με τους σύνθετους δείκτες καύσης πεδίου (Ν = 33)]]

[[Εικόνα:pipinimfiresimage07.jpg|thumb|right|Εικόνα 7 Χάρτες έντασης καύσης βλάστησης από (a) χρονικές διαφορές του δείκτη NDVI (dNDVI) των απεικονίσεων Landsat – 8 και τους χάρτες απώλειας κομοστέγης από την προσέγγιση (b) βάσει pixel και (c) βάσει αντικειμένων των απεικονίσεων WorldView – 2. Τα διαγράμματα κατανομής (δεξιά) συνδέονται με την εικονιζόμενη χαρτογράφηση έντασης καύσης βλάστησης (αριστερά) και απεικονίζουν την ποσοστιαία έκταση για κάθε τάξη έντασης καύσης και την έκταση σε εκτάρια σε παρένθεση.]]

== Περίληψη ==

Η μελέτη χρησιμοποίησε τηλεπισκοπικά δεδομένα από τους δορυφόρους Landsat – 8 και WorldView – 2 για να εκτιμήσει την δριμύτητα της δασικής πυρκαγιάς Creek (vegetation burn severity) στο Καταφύγιο Apache San Carlos, όπου η εκδήλωση της πυρκαγίας επιρεάζει τις κρίσιμες για την φυλή δραστηριότητες κτηνοτροφίας και υλοτομίας. Ακριβής χαρτογράφηση της απώλειας κομοστέγης πριν και μετά την πυρκαγία παρήχθηκε από τα δεδομένα WorldView – 2 με χωρική διακριτική ικανότητα 0.5 μέτρων, και πολλαπλοί δείκτες απο απεικονίσεις Landsat – 8 πριν και μετά την πυρκαγιά χρησιμοποιήθηκαν για να αξιολογηθεί η δριμύτητα της πυρκαγιάς (ένταση καύσης της βλάστησης). Ο χάρτης δριμύτητας πυρκαγιάς που βασίζεται στον δείκτη βλάστησης κανονικοποιημένης διαφοράς έχει τους μεγαλύτερους συντελεστές συσχέτισης με τους χάρτες απώλειας κομοστέγης που παρήχθησαν από την απεικόνιση WorldView – 2. Οι δύο απομακρυσμένες προσεγγίσεις - η απώλεια κομοστέγης βάσει δεδομένων WorldView – 2 και οι διαφορικές τιμές των φασματικών δεικτών βάσει δεομένων Landsat – 8 είναι σε καλή συμφωνία με τις εκτιμήσεις της δριμύτητας της πυρκαγιάς από την έρευνα πεδίου και είναι και οι δύο αποτελεσματικές στην για την χαρτογράφηση δριμύτητας πυρκαγιάς. Η χάρτες απώλειας κομοστέγης που παρήχθησαν από τις απεικονίσεις WorldView – 2 συναξιολογούνται στις περιορισμένες ακριβείς τεχνικές χαρτογράφησης δριμύτητας πυρκαγιών που μπορούν να βοηθήσουν στην αποτελεσματική διαχείριση των δασικών πόρων του Καταφυγίου Apache του San Carlos και ευρύτερης ευαίσθητης σε πυρκαγίες νοτιοδυτικής περιοχής των ΗΠΑ.

== Εισαγωγή ==

Ιστορικά οι νοτιοδυτικές περιοχές των ΗΠΑ ήταν περιοχές χαμηλής έντασης επιφανειακών πυρκαγιών, όμως η επίδραση των ανθρωπογενών δραστηριοτήτων (βόσκηση, πυρόσβεση, υλοτομία) και ο παράγοντας της κλιματικής αλλαγής (αύξηση ξηρασίας) επιδεινώνουν τον κίνδυνο μεγάλων και καταστροφικών δασικών πυρκαγιών με σοβαρές συνέπειες για το οικοσύστημα και τις ανθρώπινες κοινότητες.
Στο καταφύγιο San Carlos, εφαρμόζονται τεχνικές ελεγχόμενης καύσης για την μείωση του υπερσυσσώρευσης και την επαναφορά του δασικού περιβάλλοντος στην φυσική προ –αποικιοκρατική του κατάσταση. Όμως, το αφύσικα αυξημένο οργανικό φορτίο, οι εκτεταμένες ξηρασίες και ένα πλήθος άλλων βιοτικών και αβιοτικών παραγόντων που μεταβάλλονται χωρικά και χρονικά αποτελούν προκλήσεις. Η ακριβής και έγκυρη χαρτογράφηση της δριμύτητας των πυρκαγιιών αναδεικνύουν τις ρευπαθείς περιοχές που χρήζουν αποκατάστασης.
Η δριμύτητα πυρκαγιών (ένταση καύσης) περιγράφει τον βαθμό κατανάλωσης της βιομάζας από την φωτιά, και υποδιαιρείται σε ένταση καύσης βλάστησης και εδάφους. Συνδέεται με ένα πλήθος αβιωτικών και βιωτικών παραγόντων (όπως τον τύπο και την ηλικία της βλάστησης), εκ των οποίων η τελευταίοι έχουν μεγαλύτερο ενδιαφέρον για την περίπτωση μελέτης. Μπορεί να μετρηθεί τηλεπισκοπικά ή επι του πεδίου, ο δε τηλεπισκοπικός προσδιορισμός των αλλαγών φαίνεται ιδιαίτερα αποτελεσματικός σε εκτενείς περιοχές όπου η έρευνα πεδίου είναι δυσχερής.
Η διαθέσιμη τηλεπισκοπική πληροφορία, σήμερα, παρέχεται σε ένα μεγάλο εύρος χωρικής ανάλυσης και συχνότητας χρονικής κάλυψης, καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό φασματικών δεικτών βλάστησης, αντιπροσωπευτικών των ιδιοτήτων και των συνθηκών βλάστησης και μπορεί να αξιοποιηθεί στην παρακολούθηση σε κλίμακα τοπίου ή στην ακριβή χαρτογράφηση. Ο πιο διαδεδομένος φασματικός δείκτης βλάστησης είναι ο δείκτης βλάστσης κανονικοποιημένης διαφοράς (NDVI). Επίσης, η βραχεία υπέρυθρη φασματική περιοχή μπορεί να είναι ιδιαίτερα χρήσιμη στην ανάλυση λόγω της υψηλής ευαισθησίας της στην απορρόφηση νερού από την βλάστηση. Επιπρόσθετα, έχει εισαχθεί στην ανάλυση ο δείκτης καύσης κανονικοποιημένου λόγου (NBR) και η διαφορική τιμή του, που αξιοποιεί την μειωμένη ανακλαστικότητα στο εγγύς υπέρεθρο λόγω μείωσης της χλωροφύλλης και την αυξημένη ανακλαστικότητα στο μέσο υπέρυθρο λόγω μείωσης της υγρασίας της κομοστέγης.
Η δασική πυρκαγιά Greek στο καταφύγιο Apache San Carlos αποτελεί μια μελέτη περίπτωσης με στόχο την καταγραφή των εντάσεων καύσης της βλάστησης και την αξιολόγηση των μεθόδων χαρτογράφησης της δρυμύτητας πυρκαγιάς από υψηλής ανάλυσης δεδομένα απώλειας της κομοστέγης και τις διαφορές φασματικών δεικτών.

== Μέθοδοι ==

'''''Περιοχή Μελέτης'''''

Η περιοχή μελέτης βρίσκεται στο Point of Pines του Καταφυγίου apache San Carlos στην ανατολικό – κεντρική Arizona (33.39o N, 109.82o W, 1829 m – 2134 m ASL) και καλύπτει έκταση 92 km2. Ο εγγύτερος μετεωρολογικός σταθμός διαθέτει δεδομένα της περιόδου 1900 – 2012 βάσει των οποίων περιγράφονται στην αναφορά τα κλιματικά χαρακτηριστικά της περιοχής.
Η μέση ετήσια περίοδος επαναφοράς των πυρκαγιών εκτιμάται ιστορικά σε 11 χρόνια όμως η εγκατάσταση πληθυσμών και η αλλαγή των χρήσεων γης έχουν μειώσει δραστικά τις δασικές πυρκαγίες από το 1880.
Η περιοχή μελέτης ήταν προκαθορισμένη για την χαρτογράφηση της δασικής βιομάζας, χρησιμοποιώντας τηλεπισκοπικά δεδομένα. Η πυρκαγία έκαιγε αναπάντεχα στο διάστημα 16 Ιουνίου – 01 Ιουλίου 2013, κατακαίωντας 5,987 ha της περιοχής μελέτης, που αντιστοιχούν στο 65% αυτής. Στην πλεονότητα της περιοχής που κάηκε συναντάται πεύκη [https://el.wikipedia.org/wiki/%CE%A0%CE%B5%CF%8D%CE%BA%CE%B7_%CE%B7_%CE%B2%CE%B1%CF%81%CE%B9%CE%AC (pinus ponderosa)] με θάμνους και γρασίδι σε απότομο, τραχύ έδαφος. Οι καιρικές συνθήκες ήταν ζεστές και ξηρές με θερμοκρασίες άνω των 35οC, σχετική υγρασία της τάξης του ενός ψηφίου και μεταβαλλόμενες ταχύτητες ανέμου περί τα 24 km/h.

'''''Δεδομένα Έρευνας Πεδίου '''''

Τα δεδομένα πεδίου συλλέχθηκαν την περίοδο Σεπτεμβρίου – Δεκεμβρίου 2013, πριν μια επερχόμενη αναγέννηση του δάσους. Η συλλογή δεδομένων ακολούθησε το πρωτόκολλο σύνθετου δείκτη καύσης (Key and Benson, 2006). Λόγω των έντονων μουσώνων που προηγήθηκαν δεν ήταν δυνατή η ολοκληρωμένη πρόσβαση στο πεδίο, όμως επιλέχθηκαν και μελετήθηκαν 33 οικόπεδα εντός της περιοχής μελέτης διαστάσεων 30 m x 30 m. Σε αυτά προσδιορίστηκε η ένταση καύσης πέντε διακριτών επιπέδων καθ’ ύψος της βλάστησης, περιλαμβάνοντας (α) το υπόστρωμα / έδαφος του δάσους, (β) πόη / χαμηλοί θάμνοι/δεντρύλια (>1m), (γ) υψηλοί θάμνοι/δέντρα (1 – 5 m), (δ) ενδιάμεσα δέντρα (υπό κομοστέγη), (ε) κομοστέγη των δέντρων. Για καθένα από τα παραπάνω επίπεδα, αποδώθηκε βαθμός έντασης καύσης μεταξύ 0.0 και 3.0 με βήμα βαθμονόμησης 0.5. Μετά την ολοκλήρωση της αξιολόγησης, ένας μέσος σύνθετος βαθμός έντασης καύσης προέκυψε για τον υπερόροφο της κόμης, των υποόροφο και το συνολικό οικόπεδο, αντίστοιχα. Η βαθμονόμηση ακολουθεί το παρακάτω σχήμα (ώστε να είναι συμβατή και με τα επίπεδα ταξινόμησης που εφαρμόζονται στα τηλεπισκοπικά δεδομένα), βαθμός 0.0 – 0.5 αντιστοιχεί σε καμία επίδραση, 0.5 – 1.0 σε μικρή, 1.0 – 1.5 σε μικρή – μέση, 1.5 – 2.0 σε μέση, 2.0 – 2.5 σε μέση – μεγάλη, 2.5 – 3.0 σε μεγάλη.

'''''Τηλεπισκοπικά Δεδομένα'''''

''Δεδομένα Υψηλής Ανάλυσης WorldView – 2''

O δορυφόρος [https://www.satimagingcorp.com/satellite-sensors/worldview-2/ WorldView – 2] παρέχει απεικονίσεις στο παγχρωματικό κανάλι, χωρικής διακριτικής ικανότητας 0.5 m και σε οκτώ πολυφασματικά κανάλια, χωρικής διακριτικής ικανότητας 2.0 m, μεταξύ των οποίων παράκτιο μπλέ, κίτρινο, κόκκινης ακμής και δύο κανάλια στο εγγύς υπέρυθρο για ευρεία ανάλυση βλάστησης και μελέτες βιομάζας. Παρέχει την δυνατότητα συμπλήρωσης των δεδομένων πεδίου, λόγω υψηλής ανάλυσης, και αξιολόγησης άλλων τηλεπισκοπικών δεδομένων, όπως του νέου Landsat – 8. Οι απεικονίσεις που χρησιμοποιήθηκαν στην μελέτη περίπτωσης λήφθηκαν στις 27 Μαΐου 2013 (πριν την πυρκαγιά) και στις 29 Ιουλίου 2013 (μετά την πυρκαγιά) με ελάχιστη νεφοκάλυψη.

''Δεδομένα Μέσης Ανάλυσης Landsat – 8''

Απεικονίσεις [https://www.usgs.gov/land-resources/nli/landsat/landsat-8?qt-science_support_page_related_con=0#qt-science_support_page_related_con Landsat – 8] χωρίς παρουσιά νεφοκάλυψης αποκτήθηκαν ως διορθωμένα προϊόντα επιπέδου 1, για τις 04 Ιουνίου (πριν την πυρκαγία) και τις 24 Σεπτεμβρίου (μετά την πυρκαγιά) 2013. Οι ψηφιακοί αριθμοί μετατράπηκαν σε ανάκλαση στον δορυφορικό δέκτη για όλα τα κανάλια του ορατού, του εγγύς και του βραχέως υπέρυθρου. Ραδιομετρική διόρθωση εφαρμόσθηκε στα παραπάνω κανάλια για την κανονικοποίηση των τιμών της ανάκλασης μεταξύ των δύο ημερομηνιών, ως προεπεξεργασία για των εντοπισμό αλλαγών και την χαρτογράφηση της έντασης καύσης. Η ραδιομετρική διόρθωση συμβάλλει στην κανονικοποίηση των διαφορών στην ευαισθησία του αισθητήρα, την ηλιακή γωνία, την τοπογραφία και τις ατμοσφαιρικές συνθήκες μεταξύ των δύο ημερομηνιών. Παρόλα αυτά, η μεταβολη στην [https://en.wikipedia.org/wiki/Phenology φαινολογία] της βλάστησης μπορεί να μην διορθωθεί εξαιτίας της μη γραμμικής φύσης των σταδίων ανάπτυξης της βλάστησης. Σχετική ραδιομετρική διόρθωση εφαρμόσθηκε για την κανονικοποίησης της απεικόνισης μετά την πυρκαγιά στις συνθήκες της απεικόνισης πρίν την πυρκαγία, χρησιμοποιώντας «ψευδο – αμετάβλητα στοιχεία». Η προ της πυρκαγίας απεικόνιση τον Ιούνιο ληφθηκε πριν η χλόη αρχίσει να ανπτύσσεται, ενώ η απεικόνιση μετά την πυρκαγία τον Σεπτέμβριο λήφθηκε στην αιχμή της ανάπτυξης της χλόης. Έτσι, αποφύγαμε τις χορτολιβαδικές εκτάσεις και την καμμένη περιοχή κατά την διαδικασία της επιλογής των ψευδο – αμετάβλητων στοιχείων. Επιλέχθηκαν 2,213 pixel ψευδο – αμετάβλητων στοιχείων καθόλο το φάσμα των φωτεινών και σκοτεινών περιοχών της εικόνας. Μερικά φωτεινά στοιχεία αποτελούν οι βράχοι και το γυμνό έδαφος και μερικά σκοτεινά τα υδάτινα σώματα και τα πυκνά δάση κωνοφόρων, των οποίων οι φασματικές υπογραφές μεταβάλλονται λίγο στον χρόνο. Τιμές ανάκλασης λήφθηκαν από όλα τα κανάλια των απεικονίσεων πριν και μετά την πυρκαγιά, η απεικόνιση μετά την πυρκαγιά κανονικοποιήθηκε στις τιμές ανάκλασης της απεικόνισης πριν την πυρκαγιά και οι τετραγωνική ρίζα της συχέτισης κυμαίνονταν μεταξύ 0.91 και 0.95.

''Φασματικοί Δείκτες Βλάστησης από τον Landsat 8''

[https://en.wikipedia.org/wiki/Vegetation_Index Δείκτες βλάστησης] χρησιμοποιούνται για τον εντοπισμό των μεταβολών στην βλάστηση κατά την διάρκεια ενός χρονικού διαστήματος. Εκτός, από τον δείκτη βλάστησης κανονικοποιημένης διαφοράς, χρησιμοποιήθηκαν στην ανάλυση και άλλοι δείκτες που στόχο είχαν την μείωση της εδαφικής και ατμοσφαιρικής επίδρασης, όπως παρουσιάζονται σε σχετικό πίνακα, από τους οποίους ο πιο αποτελεσματικός αξιολογήθηκε ο SAVI.
O Δείκτης NBR (normalized burn ratio) αξιοποιεί την αυξημένη ανακλαστικότητα στο βραχύ υπέρυθρο (SWIR) λόγω της μείωσης της σκίασης της κομμοστέγης και της υγρασίας και την μειωμένη ανακλαστικότητα στο εγγύς υπέρυθρο λόγω της απώλειας φυλλώματος στις καμμένες εκτάσεις. Οι αλλαγές μπορούν να ποσοτικοποιηθούν ως διαφορά της εφαρμογής του δείκτη πριν και μετά την πυρκαγιά. Επίσης, ο δείκτης νερού κανονικοποιημένης διαφοράς εισήχθηκε για να προσδιορίσει το περιεχόμενο νερό στην βλάστηση και μπορεί να ειναι χρήσιμο στο προσδιορισμό αλλαγών στην βλάστηση.

''Προσδιορισμός κομοστέγης από τον WorldView – 2''

''Χαρτογράφηση κομοστέγης βάσει pixel''

Για τον προσδιορισμό της απώλειας κομοστέγης παράχθηκαν δεδομένα του δείκτη NDVI από ενισχυμένη απεικόνιση pan – sharpened, και επιλέγεται κατώφλι τιμών της κομοστεγης. Αυτή η προσέγγιση υπερεκτίμησε την χωρική εξάπλωση της κομοστέγης συμπεριλαμβάνοντας γρασίδι και εδαφική βλάστηση. Για αυτόν τον λόγο παράχθηκε έγχρωμο σύνθετο που συμπεριλάμβανε τον δείκτη NDVI, το κόκκινο και το πράσινο κανάλι, στο οποιό πραγματοποιήθηκε οδηγούμενη ταξινόμηση. Οι επικαλύψεις των δύο θεματικών επιπέδων πληροφορίας επιλέχθηκαν ως περιοχή κομοστέγης.

''Αντικειμενοστεφής χαρτογράφηση κομοστέγης''

Δεδομένης της διαθεσιμότητας υψηλής ανάλυσης απεικόνισης WorldView – 2 πραγματοποιήθηκε αντικειμενοστρεφής ταξινόμηση σε εικόνες πριν και μετά την πυρκαγιά. Η κατάτμηση πραγματοποιήθηκε σε κλίμακα κομοστέγης δέντρου και βασίστηκε περισσότερο σε αιχμές και διαφορές έναντι του φάσματος. Με σκοπό να υπάρχει συμβατότητα στην ανάλυση βάσει pixel και αντικειμένων ενσωματώθηκε η απεικόνιση NDVI στην ανάλυση. Επίσης, εφαρμόστηκε προσέγγιση fuzzy logic, ώστε να ληφθεί υπόψιν η χωρική σχέση μεταξύ του πυρήνα και των αιχμών της κομοστέγης, των οποίων η φασματική υπογραφή είναι διαφορετική των πρώτων.
Δορυφορική ανίχνευση της απώλειας κομοστέγης και ανάλυση της δρυμύτητας της δασικής πυρκαγιάς
Για να ποσοτικοποιηθεί η αλλαγή στην βλάστηση λόγω της πυρκαγίας στο Creek, το αποτέλεσμα της ταξινόμησης της κομοστέγης μετά την πυρκαγιά αφαιρέθηκε από το πρίν την πυρκαγιά για την προσέγγιση pixel και αντικειμένων. Επιδή παρατηρήθηκε λανθασμένη καταγραφή λόγω διαφορετικής απόκλισης από το [https://en.wikipedia.org/wiki/Nadir ναδίρ] εντοπίστηκαν με μη επιβλεπόμενη ταξινόμηση οι σκιάσεις και οι μλανθασμένα αποδομένες περιοχές αφαιρέθηκαν.
Έξι επίπεδα δριμύτητας καθορίστηκαν και κατώφλια διάκρισης για την ποσοστιαία απώλεια κάλυψης κομοστέγης (ανάλυση απεικόνισης WorldView – 2) και διαχρονικές διαφορές στους δείκτες βλάστησης (ανάλυση απεικόνισης Landsat), ώς εξής, απώλεια <2% αντιστοιχεί σε καμία επίδραση, 2% - 25% σε επίδραση μικρή, 25% - 40% σε μικρή – μέση, 40% - 55% σε μέση, 55% - 70% σε μέση – υψηλή, >70% σε υψηλή. Σημειώνεται ότι η ποσοστιάια απώλεια κομοστέγης προσδιορίσθηκε ως η διαφορά της ποσοσταίας κάλυψης κομοστέγης δηλαδή του λόγου των pixel που αντιστοιχούν σε κομοστέγη προς το σύνολο των pixel (χωρική διακριτική ικανότητα 0.5 m), σε κάναβο 30 m.

'''''Στατιστική ανάλυση'''''

Για τον προσδιορισμό της ακρίβεας ταξινόμησης δεντροκάλυψης από τα δεδομενα WorldView – 2, βρέθηκαν 270 τυχαία σημεία και ταυτοποιήθηκε σε αυτά η παρουσία ή απουσία κομοστέγης στην 0.5 m ανάλυσης ενισχυμένη πανχρωματική απεικόνιση του WorldView – 2. Για την αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας των δεικτών βλάστησης που παρήχθησαν από τα τηλεπισκοπικά δεδομένα Landsat – 8, συσχετίσθηκαν κατά Pearson, χωρικά στην βάση pixel, μεταξύ (α) των χρονικών διαφορών των δεικτών των απεικονίσεων Landsat και της απώλειας κομοστέγης προερχόμενης από τις απεικονίσεις WorldView – 2 σε μια συνεχόμενη κλίμακα, (β) των εντάσεων καύσης βλάστησης έξι διακριτών επιπέδων, προερχόμενων από τις προαναφερόμενες διαφορές των δεικτών Landsat – 8 και των χαρτών απώλειας κομοστέγης του WorldView – 2. Τα παράγωγα της ανάλυσης απώλειας κομοστέγης και έντασης καύσης βλάστησης βάσει pixel και βάσει αντικειμένων συγκρίθηκαν διακριτά με τις διαφορές των δεικτών Landsat – 8, δίνοντας τέσσερα πακέτα αποτελεσμάτων. Επιπλέον, καταγράφεται οι συντελεστές συσχέτισης Pearson μεταξύ των αποτελεσμάτων έντασης καύσης βλάστησης από τα τηλεπισκοπικά δεδομένα Landsat – 8 και WorldView – 2 και των αποτελεσμάτων του πεδίου.

== Αποτελέσματα ==

'''''Χαρτογράφηση Κομοστέγης από τις Απεικονίσεις WorldView – 2'''''

Η αντικειμενοστρεφής ταξινόμηση και η ταξινόμηση βάσει pixel παρήγαγε παρόμοια αποτελέσματα. Για την απεικόνιση πριν την πυρκαγία, η ταξινόμηση βάσει pixel που βασίζεται στην φασματική πληροφορία, έδωσε ακρίβεια 99% στην χαρτογράφηση της κομοστέγης, κατά την ταυτοποίηση των 270 σημείων της αρχικής εικόνας, ενώ η αντικειμενοστρεφής ταξινόμηση που βασίζεται στην πληροφορία της υφής, έδωσε ακρίβεια 97% . Για την απεικόνιση μετά την πυρκαγία, η ταξινόμηση έδωσε ακρίβεια 93% και 90% για την ταξινόμηση βάσει pixel και αντικειμένων, αντίστοιχα. Η ανάπτυξη του υποστρώματος της βλάστησης λόγω της υγρασίας την περίοδο των μουσώνων που μεσολάβησε των δύο απεικονίσεων πρόσθεσε έναν παράγοντα σύγχυσης κατά την χρήση της φασματικής πληροφορίας. Επιπλέον, η παρουσία της καμμένης βλάστησης στην κομοστέγη περιόρισε το πλεονέκτημα χρήσης της πληροφορίας υφής για τον προσδιορισμό της υγιούς κομοστέγης, μειώνοντας την ακρίβεια της ταξινόμησης.

'''''Χαρτογράφηση Έντασης Καύσης Βλάστησης από τις Απεικονίσεις Landsat – 8'''''

''Ανάλυση Συσχέτισης Τηλεπισκοπικών Παραγώγων βάσει Pixel''

Μεταξύ των δεικτών που παράχθηκαν από τα δεδομένα Landsat, η διαφορά του NDVI (dNDVI) φαίνεται να έχει την μεγαλύτερη συσχέτιση με την υψηλής ανάλυσης χαρτογράφηση της απώλειας κομοστέγης απο το WorldView – 2. Οι απόλυτες τιμές των συντελεστών συσχέτισης μεταξύ των διαφορών των δεικτών Landsat και των χαρτογραφήσεων WorldView – 2 ήταν όλες μεγαλύτερες του 0.85, για την χαρτογράφηση της συνεχόμενης απώλειας κομοστέγης, και του 0.89, για την χαρτογράφηση της έντασης καύσης βλάστησης. Οι χαρτογραφήσεις απώλειας βλάστησης από την προσέγγιση pixel και αντικειμένων δείχνουν παρόμοια συσχέτιση με τους δείκτες Landsat, με τα παράγωγα της δεύτερης (αντικειμενοστρεφούς ταξινόμησης) να έχουν ίσους ή μεγαλύτερους συντελεστές συσχέτισης από ότι της πρώτης.

''Ανάλυση Συσχέτισης Τηλεπισκοπικών Παραγώγων με Παράγωγα Έρευνας Πεδίου βάσει Οικοπέδου''

Η αξιολόγηση της έντασης καύσης για τα 33 οικόπεδα επιτόπιας έρευνας συγκρίθηκε με τις διαφορές των δεικτών από τον Landsat – 8 και τις χαρτογραφήσεις της απώλειας κομοστέγης από τον WorldView – 2. Παρόμοια με την ανάλυση βάσει pixel, η διαφορά dNDVI είχε την μεγαλύτερη συσχέτιση μεταξύ των άλλων δεικτών για όλα τα οικόπεδα. Καλύτερη συσχέτιση επιτυγχάνεται μεταξύ της εντασης βλάστησης του υπερ-ορόφου και των τηλεπισκοπικών παραγώγων, με τον δείκτη dNDVI να έχει την καλύτερη συσχέτιση (0.80). Για τον υπο – όροφο, την καλύτερη απόδοση έχει ο δείκτης dOSAVI (0.59). Αναφορικά με τα τηλεπισκοπικά παράγωγα Worldview – 2, η χαρτογράφηση απώλειας κομοστέγης βάσει αντικειμένων έχει καλύτερη συσχέτιση από αυτήν βάσει Pixel. Συγκεκριμένα, η χαρτογράφηση βάσει αντικειμένων εμφανίζει συντελεστή συσχέτισης 0.77 στην περίπτωση του υπερ – ορόφου της κόμης, αποδεικνύοντας ότι ο η χαρτογράφηση της έντασης καύσης βλάστησης βάσει της απώλειας κομοστέγης ήταν πολύ αποτελεσματική για τον εντοπισμό της έντασης καύσης του υπερστρώματος.
Στο σύνολο οι συντελεστές συσχέτισης των των παραγώγων Landsat – 8 και WorldView – 2 είναι συγκρίσιμοι για τον υπερ – όροφο όμως οι δείκτες Landsat έδωσαν μεγαλύτερους συντελεστές συσχέτισης για τον υπο – όροφο, επομένως και για το συνολικό οικόπεδο. Επομένως, η χαρτογράφηση της έντασης καύσης βλάστησης βάσει της απώλειας βλάστησης από τον WorldView – 2 στοχεύει στην χαρτογράφηση της μεταβολής της βλάστησης, όμως δεν είναι τόσο αποτελεσματική στην χαρτογράφηση της έντασης καύσης του εδάφους.
Η πολύ υψηλής ακρίβειας χαρτογράφηση της έντασης καύσης βάσει του WorldView – 2 εντόπισε μεγαλύτερη καμμένη έκταση σε σύγκριση με την την αντίστοιχη χαρτογράφηση βάσει Landsat – 8, ειδικά στις περιοχές χαμηλής επίδρασης, όπου η χαμηλή πυκνότητα της κομοστέγης και τα μικρότερα δέντρα εντοπίζονται με αξιοπιστία μόνο στις υψηλής ανάλυσης απεικονίσεις WorldView – 2. Οι καμμένες έκτασεις βάσει Landsat – 8 και WorldView – 2 για τις άλλες κατηγορίες έντασης καύσης βλάστησης είναι πολύ παρόμοιες. Με εξαίρεση κάποιον μεμωνομένο θόρυβο που εμφανίζεται στην χαρτογράφηση έντασης καύσης βλάστησης βάσει αντικειμένων, οι καμμένες εκτάσεις ήταν προσεγγιστικά ίδιες για την ανάλυση βάσει pixel και αντικειμένων των δεδομένων WorldView – 2.

== Συζήτηση ==

'''''Χαρτογράφηση Κομοστέγης με WorldView -2 : Προσεγγίσεις βάσει Pixel και βάσει Αντικειμένων'''''

Ο εντοπισμός στοιχείων με αντικειμενοστρεφή προσέγγιση, χρησιμοποιώντας δεδομένα υψηλής ανάλυσης, έχει βρεθεί πολύτιμος στην ταξινόμηση της βλάστησης, όπου η σκίαση ή άλλοι παράγοντες σύγχυσης μπορούν να περιορίσουν την ακρίβεια. Στην συγκεκριμένη ανάλυση έντασης καύσης βλάστησης, η αντικειμενοστρεφής προσέγγιση εκμεταλλεύτηκε την πληροφορία της υφής για να διακρίνει την βλαστηση της κομοστέγης απο την μη στην απεικόνιση πριν την πυρκαγιά, όμως η πληροφορία της υφής δεν ήταν χρήσιμη στην ταξινόμηση μετά την πυρκαγία, εξαιτίας της σύγχυσης από την καμμένη κόμη σε ζωντανά και καμμένα δέντρα. Παρόλα αυτά, η αντικειμενοστρεφής προσέγγιση απέδωσε υψηλότερους συντελεστές συσχέτισης με τα παράγωγα ανάλυσης της έντασης καύσης των απεικονίσεων Landsat – 8 και τις εκτιμήσεις του σύνθετου δείκτη καύσης στο πεδίο, παρότι η προσέγγιση βάσει pixel έδωσε υψηλότερη ακρίβεια ταξινόμησης στο σύνολο. Φαίνεται να υπάρχει περισσότερος «θόρυβος» που εμφανίζεται ως μεμονωμένα pixel στις κατηγορίες χαμηλής έντασης καύσης που οδήγησε σε χαμηλότερης ακρίβειας ταξινόμηση. Έτσι, η τεχνική βάσει pixel παρέχει μια πιο ακριβής χαρτογράφηση της χωρικής εξάπλωσης των καμμένων δέντρων, ενώ η αντικειμενοστρεφής τεχνική έχει πλεονέκτημα στην εκτίμηση της έντασης καύσης. Στο σύνολο, τόσο η αντικειμενοστρεφής προσέγγιση όσο και η βάσει pixel μπόρεσαν να ταξινομήσουν τις κομοστέγες των δέντρων εκμεταλλευόμενες την υψηλή ανάλυση των δεδομένων WorldView – 2 και πέτυχαν ακρίβεια μεγαλύτερη του 90%. Αυτη η μέθοδος βάσει της απώλειας κάλυψης κομστέγης είναι ιδαίτερα αποτελεσματική στην χαρτογράφηση υψηλών κατηγοριών έντασης καύσης βλάστησης, και ευνοεί σε μεγάλο βαθμό τον εντοπισμό της έντασης καύσης του υπερ – ορόφου της κόμης, εξαιτίας της εγγενής μεθόδου χαρτογράφησης της κομοστέγης αντί για την χαρτογράφηση πολλών ορόφων στο προφίλ των δέντρων, σε αντίθεση με την ενεργητικές μεθόδους χαρτογράφησης (π.χ. Lidar). Η χαρτογράφηση της έντασης καύσης βάσει της απώλειας κάλυψης κομοστέγης σε συνδυασμό με μετρήσεις πεδίου μπορεί να βελτιώσει την αποτελεσματικότητα χρήσης τηλεπισκοπικών δεδομένων για την αξιολόγηση της έντασης καύσης, ειδικά για τις βραχείς περιόδους όπως εξετάζονται σε αυτήν τγην μελέτη.

'''''Δείκτες πρερχόμενοι από τον Landsat – 8 για την Χαρτογράφηση της Έντασης Καύσης Βλάστησης'''''

Βρέθηκε ότι όλοι οι δείκτες προερχόμενοι από τον Landsat – 8 ήταν αποτελεσματικοί στην χαρτογράφηση της έντασης καύσης βλάστησης. Επίσης, βρέθηκε ότι ο NDVI ήταν πιο ευαίσθητος από τον NBR σε αυτήν την μελέτη περίπτωσης, σε αντίθεση με προηγούμενες μελέτες με δεδομένα απο τους δέκτες Landsat TM+ και ΕΤΜ+. Αυτό μπορεί να οφείλεται στους παρακάτω παράγοντες (α) ο NDVI είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικός στην χαρτογράφηση βιομάζας βλάστησης και για αυτό έχει πλεονέκτημα έναντι του NBR, (β) τον βελτιωμένο λόγο σήματος – θορύβου και την αυξημένη ραδιομετρική διακριτική ικανότητα του δέκτη (Landsat – 8) έναντι των προγενέστερων (TM+ και ΕΤΜ+), (γ) μικρές αλλαγές στο εύρος του κόκκινου και του εγγύς υπέρυθρου στον νέο δέκτη, που μπορεί να αύξησε την ευαισθησία του NDVI στην χαρτογράφηση της έντασης καύσης βλάστησης και (δ) μικρές αλλαγές στην ανάκλαση στο εγγύς υπέρυθρο μπορεί να οδηγήσουν σε χαμηλότερη ευαισθησία του NBR από τον NDVI από σε ένα ημιάνυδρο περιβάλλον σε σχέση με ένα υγρό. Επιπλεόν, η απόδοση του NDVI ήταν μεγαλύτερη από άλλους διορθωμένους δείκτες βλάστησης, περισσότερο εξαιτίας του υπολογισμού της χρονικής μεταβολής που απαλλείφει την επίδραση του εδάφους. Βασει των γνώσεων της έρευνας, δεν έχει υπάρξει προγενέστερη αυτής που να εξετάζει την αποτελεσματικότητα δεικτών προερχόμενων από απεικονίσεις Landsat – 8 για την χαρτογράφηση της έντασης καύσης βλάστησης και την σύγκριση με αντίστοιχη χαρτογράφηση από δεδομένα υψηλής ανάλυσης WorldView – 2. H έρευνα είχε την τύχη να έχει απεικονίσεις χωρίς νεφοκάλυψη, για ημερομηνίες πριν και μετά την πυρκαγία. Όμως, προφανώς, υπάρχει ανάγκη περισσότερων ερευνών με την χρήση δεικτών από απεικονίσεις Landsat – 8 για την χαρτογράφηση τόσο της έντασης καύσης βλάστησης όσο και του εδάφους, σε διαφορετικές γεωγραφικές περιοχές για να προκύψει μια συγκριτυική εικόνα της απόδοσης των δεικτών NDVI και NBR, και άλλων δεικτών στην χαρτογράφηση της έντασης καύσης βλάστησης.

'''''Μακροχρόνια Παρακολούθηση μετά την Πυρκαγία για την Αναγέννηση της Βλάστησης'''''

Πέραν της αξιολόγησης των άμεσων επιδράσεων στην βλάστηση, οι μακροχρόνιες επιδράσεις της πυρκαγιάς πρέπει να παρακολουθηθούν και να αξιολογηθούν. Ο βαθμός της αποκατάστασης μετά την πυρκαγιά προσδιορίζεται σε μεγάλο βαθμό από την δριμύτητα της καύσης. Για παράδειγμα, μετά απο μια δριμύα πυρκαγιά στην βόρεια Αριζόνα, μια περιοχή που ήταν πρότερα πευκοδάσος παρέμεινε χορτολιβαδική για μια δεκαετία. Στο μεταξύ, άκαυστες ή λίγο καμμένες εκτάσεις μπορούν να λειτουργήσουν ως πηγή σπόρων για πιο έντονα καμμένες περιοχές. Η θερμοκρασία και η βροχόπτωση όχι μόνο επιρεάζουν την εκδήλωση πυρκαγιάς, αλλά και το μοτίβο της αναγέννησης, κι έτσι υγρά χρόνια μετά την πυρκαγιά θα διευκολύνουν την αναγέννηση ενώ τα ξηρά θα την δυσχεραίνουν, κάτι ιδαίτερα σημαντικό δεδομένης της κλιματικής προεκβολής. Η αναγέννηση μπορεί να μελετηθεί σε βάθος χρόνου με την χρήση ετήσιων δεδομένων τηλεπισκόπησης, όπως δεδομένων Landsat – 8 και WorldView – 2 από το καλοκαίρι του 2014. Η συνεχόμενη παρακολούθηση της αναγέννησης της βλάστησης θα συμβάλλει στην κατανόηση των επιτυχημένων διαδικασιών, ειδικά στον ρόλο της βιομάζας και της συσσώρευσης άνθρακα μετά από μια διαταραχή.

'''''Εφαρμογές στην διαχείριση'''''

Η έντονη μείωση των δασικών πυρκαγιών και συχνοτήτων κατά την διάρκεια του τελευταίου αιώνα από την εγκατάσταση των Apache και την διαχείριση της γης έχει οδηγήσει σε μεταβολές στην δομή του δάσους και του οργανικού φορτίου και για αυτό πιθανώς αύξησε την πιθανότητα εμφάνισης δρυμύτερων δασικών πυρκαγιών. Στο μεταξύ, η υλοτομία και οι επακόλουθες καύσεις αντισταθμίζουν τις αρνητικές επιδράσεις της πυρόσβεσης στις εμπορικές ζώνες του πευκοδάσους, μειώνοντας τις πυκνότητες και τα οργανικά φορτία. Στον αντίποδα, η έλλειψη πόρων για την διαχείριση της γης έχει αυξήσει την ευαισθησία των μη – διαχειριζόμενων περιοχών, οδηγώντας σε μεγαλύτερη ετερογένεια και μέσα στην καμμένη έκταση και πιθανότητα εκδήλωσης καταστροφικών πυρκαγιών. Σε αυτήν την περίπτωση, παρότι παρότι η εκδηλούμενη πυρκαγιά αντιμετωπίστηκε με διαφορετικούς σκοπούς (κατάσβεση σε κάποιες περιοχές και πλεονεκτήματα πόρων σε άλλες), η πυρκαγιά έκαιγε έντονα σε περιοχές που είχαν πρόσφατα υλοτομηθεί, οδηγώντας σε απώλεια παραγώμενης ξυλείας. Οι αρνητικές επιδράσεις της πυρκαγιάς μπορούν να μειωθούν με μηχανική αραίωση του δάσους πριν την καύση για την μείωση της πυκνότητας της βλάστησης και την διακοπή της συνέχειας της καύσιμης ύλης. Επιπλέον, καλύτερη χαρτογράφηση πριν την πυρκαγιά και διερεύνηση των οργανικών φορτίων, της βάσης, της κάλυψης και του ύψους της κομοστέγης, θα βοηθήσει τους διαχειριστές των πυρκαγιών να ετοιμάσουν προτάσεις που μειώνουν την ένταση καύσης, ειδικά εκτός των περιοχών εμπορευματικής χρήσης όπου τα δεδομένα είναι πολύ περιορισμένα.

== Συμπεράσματα ==

Η χρονική μεταβολή δεικτών από απεικονίσεις Landsat – 8 χρησιμοποιήθηκαν για την εκτίμηση της έντασης καύσης βλάστησης σε πάνω από 82% της καμμένης έκτασης από την δασική πυρκαγιά Creek που έλαβε χώρα σε προμελετώμενη περιοχή στο Καταφύγιο Apache του San Carlos το 2013. Από την σύγκριση με την χαρτογράφηση απώλειας κομοστέγης από τις απεικονίσεις υψηλής ανάλυσης WorldView – 2, η ένταση καύσης υπολογιζόμενη από την μεταβολή dNDVI έχει την υψηλότερη βαθμολογία επίδοσης, καθώς και τον υψηλότερο συντελεστή συσχέτισης με τα δεδομένα πεδίου, και έτσι μελλοντικά μπορεί να συμπεριληφθεί στο εθνικό πρόγραμμα χαρτογράφησης της δριμύτηταςτων πυρκαγιών σε συνδυασμό με την χρήση του βασισμένου στο βραχύ υπέρυθρο δείκτη NBR. Οι χάρτες κομοστέγης από τα δεδομένα WorldView – 2, τόσο με την αντικειμενοστρεφής προσέγγιση όσο και με την προσέγγιση βάσει pixel απέδωσαν ακρίβεια >90% στον εντοπισμό της κομοστέγης των δέντρων, και μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά στην ανάλυση της έντασης καύσης της βλάστησης, ειδικά στην αξιολόγηση της έντασης καύσης στον υπέρ – όροφο της κόμης. Εκτός από την χαρτογράφηση της έντασης της πυρκαγιάς, η παρακουλούθηση της αναγέννησης του δάσους θα διαφωτίσει αναφορικά με τις πρακτικές ορθής διαχείρισης που πρέπει να ακολουθηθούν. Οι δύο διακριτές προσεγγίσεις που ακολουθήθηκαν σε αυτήν την μελέτη, της υψηλής ανάλυσης χαρτογράφησης απώλειας κομοστέγης από δεδομένα WorldView – 2 και των διαφορών των φασματικών δεικτών από τα δεδομένα Landsat – 8 έδωσαν υψηλό βαθμό συμφωνίας (συντελεστές συσχέτισης >= 85%). Έτσι, ο δορυφορικός δέκτης Landsat – 8 αποδεικνύεται αποτελεσματικός στην χαρτογράφηση της έντασης καύσης βλάστησης, με χρήση απλών δεικτών βλάστησης όπως ο NDVI σε εκτενής περιοχές, και τα υψηλής ναάλυσης δεδομένα του WorldView -2 μπορούν να παράξουν λεπτομερής χαρτογράφηση της έντασης καύσης βλάστησης από την ποσοστιαία απώλεια της κομοστέγης, και αυτές οι τεχνικές μπορούν έχουν ευρεία εφαρμογή, και δεδομένης της προεκβαλλόμενης αύξησης των δασικών πυρκαγιών. Δεδομένης της μέσης με υψηλής χωρικής διακριτικής ικανότητας και της συχνής χρονικής περιόδου επαναφοράς, ο συνδυασμός των δεκτών Landsat -8 και WorldView – 2 έχει υψηλές προοπτικές στην αναγνώριση εκδήλωσης πυρκαγιών, την χαρτογράφηση της δριμύτητας τους και την παρακολούθηση της αναγέννησης των δασών σε περιφερειακή και εθνική κλίμακα.

[[category:Δασικές Πυρκαγιές]]

Αρχείο:Pipinimfiresimage07.jpg

2019-02-12T22:28:08Z

Pmagdaleneio: Χάρτες έντασης καύσης βλάστησης από (a) χρονικές διαφορές του δείκτη NDVI (dNDVI) των απεικονίσεων Landsat – 8 και τους χάρτες απώλειας κομοστέγης απ

Χάρτες έντασης καύσης βλάστησης από (a) χρονικές διαφορές του δείκτη NDVI (dNDVI) των απεικονίσεων Landsat – 8 και τους χάρτες απώλειας κομοστέγης από την προσέγγιση (b) βάσει pixel και (c) βάσει αντικειμένων των απεικονίσεων WorldView – 2. Τα διαγράμματα κατανομής (δεξιά) συνδέονται με την εικονιζόμενη χαρτογράφηση έντασης καύσης βλάστησης (αριστερά) και απεικονίζουν την ποσοστιαία έκταση για κάθε τάξη έντασης καύσης και την έκταση σε εκτάρια σε παρένθεση.

Αρχείο:Pipinimfiresimage06.jpg

2019-02-12T22:27:12Z

Pmagdaleneio: Συντελεστές συσχέτισης για την απόδοση της απώλειας κομοστέγης βάσει WorldView – 2 και της έντασης καύσης βάσει του Landsat – 8 με τους σύνθετους δ�

Συντελεστές συσχέτισης για την απόδοση της απώλειας κομοστέγης βάσει WorldView – 2 και της έντασης καύσης βάσει του Landsat – 8 με τους σύνθετους δείκτες καύσης πεδίου (Ν = 33)

Αρχείο:Pipinimfiresimage05.jpg

2019-02-12T22:26:40Z

Pmagdaleneio: Απόλυτες τιμές των συντελεστών συσχέτισης Pearson από τις επτά διαφορές των δεικτών των απεικονίσεων Landsat πριν και μετά την πυρκαγιά (σε κατάτ�

Απόλυτες τιμές των συντελεστών συσχέτισης Pearson από τις επτά διαφορές των δεικτών των απεικονίσεων Landsat πριν και μετά την πυρκαγιά (σε κατάταξη αντίστοιχη με την συσχέτιση) με τις χαρτογραφήσεις απώλειας κομοστέγης από τον WorldView – 2 (Ν = 116 945 pixels)

Αρχείο:Pipinimfiresimage04.jpg

2019-02-12T22:26:04Z

Pmagdaleneio: Χαρτογράφηση κομοστέγης πριν την πυρκαγιά (αριστερά) και μετά την πυρκαγιά (δεξιά) προερχόμενη από ταξινόμηση βάσει pixel (b) και αντικειμένων

Χαρτογράφηση κομοστέγης πριν την πυρκαγιά (αριστερά) και μετά την πυρκαγιά (δεξιά) προερχόμενη από ταξινόμηση βάσει pixel (b) και αντικειμένων (c) απεικονίσεων WorldView – 2. H πολυφασματική ταξινόμηση WorldView – 2 απεικονίζεται σε φυσικά χρώματα (R, G, B = 5, 3, 2) (a) και τα όρια της μεγέθυνσης (b) και (c) των καμμένων δασοτόπων ponderosa pine και pinyon – juniper επισημαίνονται.

Αρχείο:Pipinimfiresimage03.jpg

2019-02-12T22:25:27Z

Pmagdaleneio: Οικόπεδα έρευνας πεδίου (Composite Burn Index Plots) (n=33) για την ανάλυση έντασης καύσης και τυχαία σημεία (n=270) για την αξιολόγηση της ταξινόμησης κομοσ�

Οικόπεδα έρευνας πεδίου (Composite Burn Index Plots) (n=33) για την ανάλυση έντασης καύσης και τυχαία σημεία (n=270) για την αξιολόγηση της ταξινόμησης κομοστέγης βάσει της απεικόνισης WorldView – 2. To χαρτογραφικό υπόβαθρο είναι σύνθετο φυσικού χρώματος της απεικόνισης WorldView – 2, που λήφθηκε μετά την εκδήλωση της πυρκαγιάς, στις 29 Ιουλίου 2013. Οι κάτωαπεικονίσεις σε μεγένθυση δείχουν τον προσδιορισμό της κομοστέγης και την αξιολόγηση της καμμένης κομοστέγης από τις απεικονίσεις WorldView – 2 πριν την πυρκαγιά (Μαΐος 2013) και μετά την πυρκαγία (Ιούλιος 2013).

Αρχείο:Pipinimfiresimage02.jpg

2019-02-12T22:24:17Z

Pmagdaleneio: Δείκτες αξιολόγησης της έντασης καύσης βλάστησης της πυρκαγιάς Creek στο Καταφύγιο Apache το San Carlos βάσει του Landsat – 8.

Δείκτες αξιολόγησης της έντασης καύσης βλάστησης της πυρκαγιάς Creek στο Καταφύγιο Apache το San Carlos βάσει του Landsat – 8.

Αρχείο:Pipinimfiresimage01.jpg

2019-02-12T22:23:48Z

Pmagdaleneio: Χάρτης κάλυψης γης της περιοχής μελέτης Point of Pines (δεξιά) του Καταφυγίου Apache San Carlos, Arizona, USA (που επισημαίνενται σε κύκλο αριστερά). Οριοθετείτ�

Χάρτης κάλυψης γης της περιοχής μελέτης Point of Pines (δεξιά) του Καταφυγίου Apache San Carlos, Arizona, USA (που επισημαίνενται σε κύκλο αριστερά). Οριοθετείται (δεξιά με γκρί περίγραμμα) η περιοχή εκδήλωσης της πυρκαγιάς Creek, εντός της περιοχής μελέτης, τον Ιούνιο 2013

Χαρτογράφηση Δρυμύτητας Πυρκαγιών βάσει απεικονίσεων Landsat - 8 και WorldView - 2

2019-02-12T22:22:30Z

Pmagdaleneio: Νέα σελίδα με 'Vegetation Burn Severity Mapping Using Landsat-8 and WorldView-2 Zhuoting Wu, Barry Middleton, Robert Hetzler, John Vogel, and Dennis Dye Photogrammetric Engineering & Re...'

Vegetation Burn Severity Mapping Using
Landsat-8 and WorldView-2
Zhuoting Wu, Barry Middleton, Robert Hetzler, John Vogel, and Dennis Dye
Photogrammetric Engineering & Remote Sensing
Vol. 81, No. 2, February 2015, pp. 143–154.
doi: 10.14358/PERS.81.2.143

[https://www.ingentaconnect.com/content/asprs/pers/2015/00000081/00000002/art00005?utm_source=TrendMD&utm_medium=cpc&utm_campaign=Photogrammetric_Engineering_%252526_Remote_Sensing_TrendMD_0# Πηγή]

[[Εικόνα: pipinimfiresimage01.jpg|thumb|right|Εικόνα 1 Χάρτης κάλυψης γης της περιοχής μελέτης Point of Pines (δεξιά) του Καταφυγίου Apache San Carlos, Arizona, USA (που επισημαίνενται σε κύκλο αριστερά). Οριοθετείται (δεξιά με γκρί περίγραμμα) η περιοχή εκδήλωσης της πυρκαγιάς Creek, εντός της περιοχής μελέτης, τον Ιούνιο 2013.]]

[[Εικόνα: pipinimfiresimage02.jpg|thumb|right|Εικόνα 2 Δείκτες αξιολόγησης της έντασης καύσης βλάστησης της πυρκαγιάς Creek στο Καταφύγιο Apache το San Carlos βάσει του Landsat – 8.]]

[[Εικόνα: pipinimfiresimage03.jpg|thumb|right|Εικόνα 3 Οικόπεδα έρευνας πεδίου (Composite Burn Index Plots) (n=33) για την ανάλυση έντασης καύσης και τυχαία σημεία (n=270) για την αξιολόγηση της ταξινόμησης κομοστέγης βάσει της απεικόνισης WorldView – 2. To χαρτογραφικό υπόβαθρο είναι σύνθετο φυσικού χρώματος της απεικόνισης WorldView – 2, που λήφθηκε μετά την εκδήλωση της πυρκαγιάς, στις 29 Ιουλίου 2013. Οι κάτωαπεικονίσεις σε μεγένθυση δείχουν τον προσδιορισμό της κομοστέγης και την αξιολόγηση της καμμένης κομοστέγης από τις απεικονίσεις WorldView – 2 πριν την πυρκαγιά (Μαΐος 2013) και μετά την πυρκαγία (Ιούλιος 2013).]]

[[Εικόνα: pipinimfiresimage04.jpg|thumb|right|Εικόνα 4 Χαρτογράφηση κομοστέγης πριν την πυρκαγιά (αριστερά) και μετά την πυρκαγιά (δεξιά) προερχόμενη από ταξινόμηση βάσει pixel (b) και αντικειμένων (c) απεικονίσεων WorldView – 2. H πολυφασματική ταξινόμηση WorldView – 2 απεικονίζεται σε φυσικά χρώματα (R, G, B = 5, 3, 2) (a) και τα όρια της μεγέθυνσης (b) και (c) των καμμένων δασοτόπων ponderosa pine και pinyon – juniper επισημαίνονται.]]

[[Εικόνα: pipinimfiresimage05.jpg|thumb|right|Εικόνα 5 Απόλυτες τιμές των συντελεστών συσχέτισης Pearson από τις επτά διαφορές των δεικτών των απεικονίσεων Landsat πριν και μετά την πυρκαγιά (σε κατάταξη αντίστοιχη με την συσχέτιση) με τις χαρτογραφήσεις απώλειας κομοστέγης από τον WorldView – 2 (Ν = 116 945 pixels)]]
[[Εικόνα: pipinimfiresimage06.jpg|thumb|right|Εικόνα 6 Συντελεστές συσχέτισης για την απόδοση της απώλειας κομοστέγης βάσει WorldView – 2 και της έντασης καύσης βάσει του Landsat – 8 με τους σύνθετους δείκτες καύσης πεδίου (Ν = 33)]]

[[Εικόνα: pipinimfiresimage07.jpg|thumb|right|Εικόνα 7 Χάρτες έντασης καύσης βλάστησης από (a) χρονικές διαφορές του δείκτη NDVI (dNDVI) των απεικονίσεων Landsat – 8 και τους χάρτες απώλειας κομοστέγης από την προσέγγιση (b) βάσει pixel και (c) βάσει αντικειμένων των απεικονίσεων WorldView – 2. Τα διαγράμματα κατανομής (δεξιά) συνδέονται με την εικονιζόμενη χαρτογράφηση έντασης καύσης βλάστησης (αριστερά) και απεικονίζουν την ποσοστιαία έκταση για κάθε τάξη έντασης καύσης και την έκταση σε εκτάρια σε παρένθεση.]]

== Περίληψη ==

Η μελέτη χρησιμοποίησε τηλεπισκοπικά δεδομένα από τους δορυφόρους Landsat – 8 και WorldView – 2 για να εκτιμήσει την δριμύτητα της δασικής πυρκαγιάς Creek (vegetation burn severity) στο Καταφύγιο Apache San Carlos, όπου η εκδήλωση της πυρκαγίας επιρεάζει τις κρίσιμες για την φυλή δραστηριότητες κτηνοτροφίας και υλοτομίας. Ακριβής χαρτογράφηση της απώλειας κομοστέγης πριν και μετά την πυρκαγία παρήχθηκε από τα δεδομένα WorldView – 2 με χωρική διακριτική ικανότητα 0.5 μέτρων, και πολλαπλοί δείκτες απο απεικονίσεις Landsat – 8 πριν και μετά την πυρκαγιά χρησιμοποιήθηκαν για να αξιολογηθεί η δριμύτητα της πυρκαγιάς (ένταση καύσης της βλάστησης). Ο χάρτης δριμύτητας πυρκαγιάς που βασίζεται στον δείκτη βλάστησης κανονικοποιημένης διαφοράς έχει τους μεγαλύτερους συντελεστές συσχέτισης με τους χάρτες απώλειας κομοστέγης που παρήχθησαν από την απεικόνιση WorldView – 2. Οι δύο απομακρυσμένες προσεγγίσεις - η απώλεια κομοστέγης βάσει δεδομένων WorldView – 2 και οι διαφορικές τιμές των φασματικών δεικτών βάσει δεομένων Landsat – 8 είναι σε καλή συμφωνία με τις εκτιμήσεις της δριμύτητας της πυρκαγιάς από την έρευνα πεδίου και είναι και οι δύο αποτελεσματικές στην για την χαρτογράφηση δριμύτητας πυρκαγιάς. Η χάρτες απώλειας κομοστέγης που παρήχθησαν από τις απεικονίσεις WorldView – 2 συναξιολογούνται στις περιορισμένες ακριβείς τεχνικές χαρτογράφησης δριμύτητας πυρκαγιών που μπορούν να βοηθήσουν στην αποτελεσματική διαχείριση των δασικών πόρων του Καταφυγίου Apache του San Carlos και ευρύτερης ευαίσθητης σε πυρκαγίες νοτιοδυτικής περιοχής των ΗΠΑ.

== Εισαγωγή ==

Ιστορικά οι νοτιοδυτικές περιοχές των ΗΠΑ ήταν περιοχές χαμηλής έντασης επιφανειακών πυρκαγιών, όμως η επίδραση των ανθρωπογενών δραστηριοτήτων (βόσκηση, πυρόσβεση, υλοτομία) και ο παράγοντας της κλιματικής αλλαγής (αύξηση ξηρασίας) επιδεινώνουν τον κίνδυνο μεγάλων και καταστροφικών δασικών πυρκαγιών με σοβαρές συνέπειες για το οικοσύστημα και τις ανθρώπινες κοινότητες.
Στο καταφύγιο San Carlos, εφαρμόζονται τεχνικές ελεγχόμενης καύσης για την μείωση του υπερσυσσώρευσης και την επαναφορά του δασικού περιβάλλοντος στην φυσική προ –αποικιοκρατική του κατάσταση. Όμως, το αφύσικα αυξημένο οργανικό φορτίο, οι εκτεταμένες ξηρασίες και ένα πλήθος άλλων βιοτικών και αβιοτικών παραγόντων που μεταβάλλονται χωρικά και χρονικά αποτελούν προκλήσεις. Η ακριβής και έγκυρη χαρτογράφηση της δριμύτητας των πυρκαγιιών αναδεικνύουν τις ρευπαθείς περιοχές που χρήζουν αποκατάστασης.
Η δριμύτητα πυρκαγιών (ένταση καύσης) περιγράφει τον βαθμό κατανάλωσης της βιομάζας από την φωτιά, και υποδιαιρείται σε ένταση καύσης βλάστησης και εδάφους. Συνδέεται με ένα πλήθος αβιωτικών και βιωτικών παραγόντων (όπως τον τύπο και την ηλικία της βλάστησης), εκ των οποίων η τελευταίοι έχουν μεγαλύτερο ενδιαφέρον για την περίπτωση μελέτης. Μπορεί να μετρηθεί τηλεπισκοπικά ή επι του πεδίου, ο δε τηλεπισκοπικός προσδιορισμός των αλλαγών φαίνεται ιδιαίτερα αποτελεσματικός σε εκτενείς περιοχές όπου η έρευνα πεδίου είναι δυσχερής.
Η διαθέσιμη τηλεπισκοπική πληροφορία, σήμερα, παρέχεται σε ένα μεγάλο εύρος χωρικής ανάλυσης και συχνότητας χρονικής κάλυψης, καθιστά δυνατό τον προσδιορισμό φασματικών δεικτών βλάστησης, αντιπροσωπευτικών των ιδιοτήτων και των συνθηκών βλάστησης και μπορεί να αξιοποιηθεί στην παρακολούθηση σε κλίμακα τοπίου ή στην ακριβή χαρτογράφηση. Ο πιο διαδεδομένος φασματικός δείκτης βλάστησης είναι ο δείκτης βλάστσης κανονικοποιημένης διαφοράς (NDVI). Επίσης, η βραχεία υπέρυθρη φασματική περιοχή μπορεί να είναι ιδιαίτερα χρήσιμη στην ανάλυση λόγω της υψηλής ευαισθησίας της στην απορρόφηση νερού από την βλάστηση. Επιπρόσθετα, έχει εισαχθεί στην ανάλυση ο δείκτης καύσης κανονικοποιημένου λόγου (NBR) και η διαφορική τιμή του, που αξιοποιεί την μειωμένη ανακλαστικότητα στο εγγύς υπέρεθρο λόγω μείωσης της χλωροφύλλης και την αυξημένη ανακλαστικότητα στο μέσο υπέρυθρο λόγω μείωσης της υγρασίας της κομοστέγης.
Η δασική πυρκαγιά Greek στο καταφύγιο Apache San Carlos αποτελεί μια μελέτη περίπτωσης με στόχο την καταγραφή των εντάσεων καύσης της βλάστησης και την αξιολόγηση των μεθόδων χαρτογράφησης της δρυμύτητας πυρκαγιάς από υψηλής ανάλυσης δεδομένα απώλειας της κομοστέγης και τις διαφορές φασματικών δεικτών.

== Μέθοδοι ==

'''''Περιοχή Μελέτης'''''

Η περιοχή μελέτης βρίσκεται στο Point of Pines του Καταφυγίου apache San Carlos στην ανατολικό – κεντρική Arizona (33.39o N, 109.82o W, 1829 m – 2134 m ASL) και καλύπτει έκταση 92 km2. Ο εγγύτερος μετεωρολογικός σταθμός διαθέτει δεδομένα της περιόδου 1900 – 2012 βάσει των οποίων περιγράφονται στην αναφορά τα κλιματικά χαρακτηριστικά της περιοχής.
Η μέση ετήσια περίοδος επαναφοράς των πυρκαγιών εκτιμάται ιστορικά σε 11 χρόνια όμως η εγκατάσταση πληθυσμών και η αλλαγή των χρήσεων γης έχουν μειώσει δραστικά τις δασικές πυρκαγίες από το 1880.
Η περιοχή μελέτης ήταν προκαθορισμένη για την χαρτογράφηση της δασικής βιομάζας, χρησιμοποιώντας τηλεπισκοπικά δεδομένα. Η πυρκαγία έκαιγε αναπάντεχα στο διάστημα 16 Ιουνίου – 01 Ιουλίου 2013, κατακαίωντας 5,987 ha της περιοχής μελέτης, που αντιστοιχούν στο 65% αυτής. Στην πλεονότητα της περιοχής που κάηκε συναντάται πεύκη [https://el.wikipedia.org/wiki/%CE%A0%CE%B5%CF%8D%CE%BA%CE%B7_%CE%B7_%CE%B2%CE%B1%CF%81%CE%B9%CE%AC (pinus ponderosa)] με θάμνους και γρασίδι σε απότομο, τραχύ έδαφος. Οι καιρικές συνθήκες ήταν ζεστές και ξηρές με θερμοκρασίες άνω των 35οC, σχετική υγρασία της τάξης του ενός ψηφίου και μεταβαλλόμενες ταχύτητες ανέμου περί τα 24 km/h.

'''''Δεδομένα Έρευνας Πεδίου '''''

Τα δεδομένα πεδίου συλλέχθηκαν την περίοδο Σεπτεμβρίου – Δεκεμβρίου 2013, πριν μια επερχόμενη αναγέννηση του δάσους. Η συλλογή δεδομένων ακολούθησε το πρωτόκολλο σύνθετου δείκτη καύσης (Key and Benson, 2006). Λόγω των έντονων μουσώνων που προηγήθηκαν δεν ήταν δυνατή η ολοκληρωμένη πρόσβαση στο πεδίο, όμως επιλέχθηκαν και μελετήθηκαν 33 οικόπεδα εντός της περιοχής μελέτης διαστάσεων 30 m x 30 m. Σε αυτά προσδιορίστηκε η ένταση καύσης πέντε διακριτών επιπέδων καθ’ ύψος της βλάστησης, περιλαμβάνοντας (α) το υπόστρωμα / έδαφος του δάσους, (β) πόη / χαμηλοί θάμνοι/δεντρύλια (>1m), (γ) υψηλοί θάμνοι/δέντρα (1 – 5 m), (δ) ενδιάμεσα δέντρα (υπό κομοστέγη), (ε) κομοστέγη των δέντρων. Για καθένα από τα παραπάνω επίπεδα, αποδώθηκε βαθμός έντασης καύσης μεταξύ 0.0 και 3.0 με βήμα βαθμονόμησης 0.5. Μετά την ολοκλήρωση της αξιολόγησης, ένας μέσος σύνθετος βαθμός έντασης καύσης προέκυψε για τον υπερόροφο της κόμης, των υποόροφο και το συνολικό οικόπεδο, αντίστοιχα. Η βαθμονόμηση ακολουθεί το παρακάτω σχήμα (ώστε να είναι συμβατή και με τα επίπεδα ταξινόμησης που εφαρμόζονται στα τηλεπισκοπικά δεδομένα), βαθμός 0.0 – 0.5 αντιστοιχεί σε καμία επίδραση, 0.5 – 1.0 σε μικρή, 1.0 – 1.5 σε μικρή – μέση, 1.5 – 2.0 σε μέση, 2.0 – 2.5 σε μέση – μεγάλη, 2.5 – 3.0 σε μεγάλη.

'''''Τηλεπισκοπικά Δεδομένα'''''

''Δεδομένα Υψηλής Ανάλυσης WorldView – 2''

O δορυφόρος [https://www.satimagingcorp.com/satellite-sensors/worldview-2/ WorldView – 2] παρέχει απεικονίσεις στο παγχρωματικό κανάλι, χωρικής διακριτικής ικανότητας 0.5 m και σε οκτώ πολυφασματικά κανάλια, χωρικής διακριτικής ικανότητας 2.0 m, μεταξύ των οποίων παράκτιο μπλέ, κίτρινο, κόκκινης ακμής και δύο κανάλια στο εγγύς υπέρυθρο για ευρεία ανάλυση βλάστησης και μελέτες βιομάζας. Παρέχει την δυνατότητα συμπλήρωσης των δεδομένων πεδίου, λόγω υψηλής ανάλυσης, και αξιολόγησης άλλων τηλεπισκοπικών δεδομένων, όπως του νέου Landsat – 8. Οι απεικονίσεις που χρησιμοποιήθηκαν στην μελέτη περίπτωσης λήφθηκαν στις 27 Μαΐου 2013 (πριν την πυρκαγιά) και στις 29 Ιουλίου 2013 (μετά την πυρκαγιά) με ελάχιστη νεφοκάλυψη.

''Δεδομένα Μέσης Ανάλυσης Landsat – 8''

Απεικονίσεις [https://www.usgs.gov/land-resources/nli/landsat/landsat-8?qt-science_support_page_related_con=0#qt-science_support_page_related_con Landsat – 8] χωρίς παρουσιά νεφοκάλυψης αποκτήθηκαν ως διορθωμένα προϊόντα επιπέδου 1, για τις 04 Ιουνίου (πριν την πυρκαγία) και τις 24 Σεπτεμβρίου (μετά την πυρκαγιά) 2013. Οι ψηφιακοί αριθμοί μετατράπηκαν σε ανάκλαση στον δορυφορικό δέκτη για όλα τα κανάλια του ορατού, του εγγύς και του βραχέως υπέρυθρου. Ραδιομετρική διόρθωση εφαρμόσθηκε στα παραπάνω κανάλια για την κανονικοποίηση των τιμών της ανάκλασης μεταξύ των δύο ημερομηνιών, ως προεπεξεργασία για των εντοπισμό αλλαγών και την χαρτογράφηση της έντασης καύσης. Η ραδιομετρική διόρθωση συμβάλλει στην κανονικοποίηση των διαφορών στην ευαισθησία του αισθητήρα, την ηλιακή γωνία, την τοπογραφία και τις ατμοσφαιρικές συνθήκες μεταξύ των δύο ημερομηνιών. Παρόλα αυτά, η μεταβολη στην [https://en.wikipedia.org/wiki/Phenology φαινολογία] της βλάστησης μπορεί να μην διορθωθεί εξαιτίας της μη γραμμικής φύσης των σταδίων ανάπτυξης της βλάστησης. Σχετική ραδιομετρική διόρθωση εφαρμόσθηκε για την κανονικοποίησης της απεικόνισης μετά την πυρκαγιά στις συνθήκες της απεικόνισης πρίν την πυρκαγία, χρησιμοποιώντας «ψευδο – αμετάβλητα στοιχεία». Η προ της πυρκαγίας απεικόνιση τον Ιούνιο ληφθηκε πριν η χλόη αρχίσει να ανπτύσσεται, ενώ η απεικόνιση μετά την πυρκαγία τον Σεπτέμβριο λήφθηκε στην αιχμή της ανάπτυξης της χλόης. Έτσι, αποφύγαμε τις χορτολιβαδικές εκτάσεις και την καμμένη περιοχή κατά την διαδικασία της επιλογής των ψευδο – αμετάβλητων στοιχείων. Επιλέχθηκαν 2,213 pixel ψευδο – αμετάβλητων στοιχείων καθόλο το φάσμα των φωτεινών και σκοτεινών περιοχών της εικόνας. Μερικά φωτεινά στοιχεία αποτελούν οι βράχοι και το γυμνό έδαφος και μερικά σκοτεινά τα υδάτινα σώματα και τα πυκνά δάση κωνοφόρων, των οποίων οι φασματικές υπογραφές μεταβάλλονται λίγο στον χρόνο. Τιμές ανάκλασης λήφθηκαν από όλα τα κανάλια των απεικονίσεων πριν και μετά την πυρκαγιά, η απεικόνιση μετά την πυρκαγιά κανονικοποιήθηκε στις τιμές ανάκλασης της απεικόνισης πριν την πυρκαγιά και οι τετραγωνική ρίζα της συχέτισης κυμαίνονταν μεταξύ 0.91 και 0.95.

''Φασματικοί Δείκτες Βλάστησης από τον Landsat 8''

[https://en.wikipedia.org/wiki/Vegetation_Index Δείκτες βλάστησης] χρησιμοποιούνται για τον εντοπισμό των μεταβολών στην βλάστηση κατά την διάρκεια ενός χρονικού διαστήματος. Εκτός, από τον δείκτη βλάστησης κανονικοποιημένης διαφοράς, χρησιμοποιήθηκαν στην ανάλυση και άλλοι δείκτες που στόχο είχαν την μείωση της εδαφικής και ατμοσφαιρικής επίδρασης, όπως παρουσιάζονται σε σχετικό πίνακα, από τους οποίους ο πιο αποτελεσματικός αξιολογήθηκε ο SAVI.
O Δείκτης NBR (normalized burn ratio) αξιοποιεί την αυξημένη ανακλαστικότητα στο βραχύ υπέρυθρο (SWIR) λόγω της μείωσης της σκίασης της κομμοστέγης και της υγρασίας και την μειωμένη ανακλαστικότητα στο εγγύς υπέρυθρο λόγω της απώλειας φυλλώματος στις καμμένες εκτάσεις. Οι αλλαγές μπορούν να ποσοτικοποιηθούν ως διαφορά της εφαρμογής του δείκτη πριν και μετά την πυρκαγιά. Επίσης, ο δείκτης νερού κανονικοποιημένης διαφοράς εισήχθηκε για να προσδιορίσει το περιεχόμενο νερό στην βλάστηση και μπορεί να ειναι χρήσιμο στο προσδιορισμό αλλαγών στην βλάστηση.

''Προσδιορισμός κομοστέγης από τον WorldView – 2''

''Χαρτογράφηση κομοστέγης βάσει pixel''

Για τον προσδιορισμό της απώλειας κομοστέγης παράχθηκαν δεδομένα του δείκτη NDVI από ενισχυμένη απεικόνιση pan – sharpened, και επιλέγεται κατώφλι τιμών της κομοστεγης. Αυτή η προσέγγιση υπερεκτίμησε την χωρική εξάπλωση της κομοστέγης συμπεριλαμβάνοντας γρασίδι και εδαφική βλάστηση. Για αυτόν τον λόγο παράχθηκε έγχρωμο σύνθετο που συμπεριλάμβανε τον δείκτη NDVI, το κόκκινο και το πράσινο κανάλι, στο οποιό πραγματοποιήθηκε οδηγούμενη ταξινόμηση. Οι επικαλύψεις των δύο θεματικών επιπέδων πληροφορίας επιλέχθηκαν ως περιοχή κομοστέγης.

''Αντικειμενοστεφής χαρτογράφηση κομοστέγης''

Δεδομένης της διαθεσιμότητας υψηλής ανάλυσης απεικόνισης WorldView – 2 πραγματοποιήθηκε αντικειμενοστρεφής ταξινόμηση σε εικόνες πριν και μετά την πυρκαγιά. Η κατάτμηση πραγματοποιήθηκε σε κλίμακα κομοστέγης δέντρου και βασίστηκε περισσότερο σε αιχμές και διαφορές έναντι του φάσματος. Με σκοπό να υπάρχει συμβατότητα στην ανάλυση βάσει pixel και αντικειμένων ενσωματώθηκε η απεικόνιση NDVI στην ανάλυση. Επίσης, εφαρμόστηκε προσέγγιση fuzzy logic, ώστε να ληφθεί υπόψιν η χωρική σχέση μεταξύ του πυρήνα και των αιχμών της κομοστέγης, των οποίων η φασματική υπογραφή είναι διαφορετική των πρώτων.
Δορυφορική ανίχνευση της απώλειας κομοστέγης και ανάλυση της δρυμύτητας της δασικής πυρκαγιάς
Για να ποσοτικοποιηθεί η αλλαγή στην βλάστηση λόγω της πυρκαγίας στο Creek, το αποτέλεσμα της ταξινόμησης της κομοστέγης μετά την πυρκαγιά αφαιρέθηκε από το πρίν την πυρκαγιά για την προσέγγιση pixel και αντικειμένων. Επιδή παρατηρήθηκε λανθασμένη καταγραφή λόγω διαφορετικής απόκλισης από το [https://en.wikipedia.org/wiki/Nadir ναδίρ] εντοπίστηκαν με μη επιβλεπόμενη ταξινόμηση οι σκιάσεις και οι μλανθασμένα αποδομένες περιοχές αφαιρέθηκαν.
Έξι επίπεδα δριμύτητας καθορίστηκαν και κατώφλια διάκρισης για την ποσοστιαία απώλεια κάλυψης κομοστέγης (ανάλυση απεικόνισης WorldView – 2) και διαχρονικές διαφορές στους δείκτες βλάστησης (ανάλυση απεικόνισης Landsat), ώς εξής, απώλεια <2% αντιστοιχεί σε καμία επίδραση, 2% - 25% σε επίδραση μικρή, 25% - 40% σε μικρή – μέση, 40% - 55% σε μέση, 55% - 70% σε μέση – υψηλή, >70% σε υψηλή. Σημειώνεται ότι η ποσοστιάια απώλεια κομοστέγης προσδιορίσθηκε ως η διαφορά της ποσοσταίας κάλυψης κομοστέγης δηλαδή του λόγου των pixel που αντιστοιχούν σε κομοστέγη προς το σύνολο των pixel (χωρική διακριτική ικανότητα 0.5 m), σε κάναβο 30 m.

'''''Στατιστική ανάλυση'''''

Για τον προσδιορισμό της ακρίβεας ταξινόμησης δεντροκάλυψης από τα δεδομενα WorldView – 2, βρέθηκαν 270 τυχαία σημεία και ταυτοποιήθηκε σε αυτά η παρουσία ή απουσία κομοστέγης στην 0.5 m ανάλυσης ενισχυμένη πανχρωματική απεικόνιση του WorldView – 2. Για την αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας των δεικτών βλάστησης που παρήχθησαν από τα τηλεπισκοπικά δεδομένα Landsat – 8, συσχετίσθηκαν κατά Pearson, χωρικά στην βάση pixel, μεταξύ (α) των χρονικών διαφορών των δεικτών των απεικονίσεων Landsat και της απώλειας κομοστέγης προερχόμενης από τις απεικονίσεις WorldView – 2 σε μια συνεχόμενη κλίμακα, (β) των εντάσεων καύσης βλάστησης έξι διακριτών επιπέδων, προερχόμενων από τις προαναφερόμενες διαφορές των δεικτών Landsat – 8 και των χαρτών απώλειας κομοστέγης του WorldView – 2. Τα παράγωγα της ανάλυσης απώλειας κομοστέγης και έντασης καύσης βλάστησης βάσει pixel και βάσει αντικειμένων συγκρίθηκαν διακριτά με τις διαφορές των δεικτών Landsat – 8, δίνοντας τέσσερα πακέτα αποτελεσμάτων. Επιπλέον, καταγράφεται οι συντελεστές συσχέτισης Pearson μεταξύ των αποτελεσμάτων έντασης καύσης βλάστησης από τα τηλεπισκοπικά δεδομένα Landsat – 8 και WorldView – 2 και των αποτελεσμάτων του πεδίου.

== Αποτελέσματα ==

'''''Χαρτογράφηση Κομοστέγης από τις Απεικονίσεις WorldView – 2'''''

Η αντικειμενοστρεφής ταξινόμηση και η ταξινόμηση βάσει pixel παρήγαγε παρόμοια αποτελέσματα. Για την απεικόνιση πριν την πυρκαγία, η ταξινόμηση βάσει pixel που βασίζεται στην φασματική πληροφορία, έδωσε ακρίβεια 99% στην χαρτογράφηση της κομοστέγης, κατά την ταυτοποίηση των 270 σημείων της αρχικής εικόνας, ενώ η αντικειμενοστρεφής ταξινόμηση που βασίζεται στην πληροφορία της υφής, έδωσε ακρίβεια 97% . Για την απεικόνιση μετά την πυρκαγία, η ταξινόμηση έδωσε ακρίβεια 93% και 90% για την ταξινόμηση βάσει pixel και αντικειμένων, αντίστοιχα. Η ανάπτυξη του υποστρώματος της βλάστησης λόγω της υγρασίας την περίοδο των μουσώνων που μεσολάβησε των δύο απεικονίσεων πρόσθεσε έναν παράγοντα σύγχυσης κατά την χρήση της φασματικής πληροφορίας. Επιπλέον, η παρουσία της καμμένης βλάστησης στην κομοστέγη περιόρισε το πλεονέκτημα χρήσης της πληροφορίας υφής για τον προσδιορισμό της υγιούς κομοστέγης, μειώνοντας την ακρίβεια της ταξινόμησης.

'''''Χαρτογράφηση Έντασης Καύσης Βλάστησης από τις Απεικονίσεις Landsat – 8'''''

''Ανάλυση Συσχέτισης Τηλεπισκοπικών Παραγώγων βάσει Pixel''

Μεταξύ των δεικτών που παράχθηκαν από τα δεδομένα Landsat, η διαφορά του NDVI (dNDVI) φαίνεται να έχει την μεγαλύτερη συσχέτιση με την υψηλής ανάλυσης χαρτογράφηση της απώλειας κομοστέγης απο το WorldView – 2. Οι απόλυτες τιμές των συντελεστών συσχέτισης μεταξύ των διαφορών των δεικτών Landsat και των χαρτογραφήσεων WorldView – 2 ήταν όλες μεγαλύτερες του 0.85, για την χαρτογράφηση της συνεχόμενης απώλειας κομοστέγης, και του 0.89, για την χαρτογράφηση της έντασης καύσης βλάστησης. Οι χαρτογραφήσεις απώλειας βλάστησης από την προσέγγιση pixel και αντικειμένων δείχνουν παρόμοια συσχέτιση με τους δείκτες Landsat, με τα παράγωγα της δεύτερης (αντικειμενοστρεφούς ταξινόμησης) να έχουν ίσους ή μεγαλύτερους συντελεστές συσχέτισης από ότι της πρώτης.

''Ανάλυση Συσχέτισης Τηλεπισκοπικών Παραγώγων με Παράγωγα Έρευνας Πεδίου βάσει Οικοπέδου''

Η αξιολόγηση της έντασης καύσης για τα 33 οικόπεδα επιτόπιας έρευνας συγκρίθηκε με τις διαφορές των δεικτών από τον Landsat – 8 και τις χαρτογραφήσεις της απώλειας κομοστέγης από τον WorldView – 2. Παρόμοια με την ανάλυση βάσει pixel, η διαφορά dNDVI είχε την μεγαλύτερη συσχέτιση μεταξύ των άλλων δεικτών για όλα τα οικόπεδα. Καλύτερη συσχέτιση επιτυγχάνεται μεταξύ της εντασης βλάστησης του υπερ-ορόφου και των τηλεπισκοπικών παραγώγων, με τον δείκτη dNDVI να έχει την καλύτερη συσχέτιση (0.80). Για τον υπο – όροφο, την καλύτερη απόδοση έχει ο δείκτης dOSAVI (0.59). Αναφορικά με τα τηλεπισκοπικά παράγωγα Worldview – 2, η χαρτογράφηση απώλειας κομοστέγης βάσει αντικειμένων έχει καλύτερη συσχέτιση από αυτήν βάσει Pixel. Συγκεκριμένα, η χαρτογράφηση βάσει αντικειμένων εμφανίζει συντελεστή συσχέτισης 0.77 στην περίπτωση του υπερ – ορόφου της κόμης, αποδεικνύοντας ότι ο η χαρτογράφηση της έντασης καύσης βλάστησης βάσει της απώλειας κομοστέγης ήταν πολύ αποτελεσματική για τον εντοπισμό της έντασης καύσης του υπερστρώματος.
Στο σύνολο οι συντελεστές συσχέτισης των των παραγώγων Landsat – 8 και WorldView – 2 είναι συγκρίσιμοι για τον υπερ – όροφο όμως οι δείκτες Landsat έδωσαν μεγαλύτερους συντελεστές συσχέτισης για τον υπο – όροφο, επομένως και για το συνολικό οικόπεδο. Επομένως, η χαρτογράφηση της έντασης καύσης βλάστησης βάσει της απώλειας βλάστησης από τον WorldView – 2 στοχεύει στην χαρτογράφηση της μεταβολής της βλάστησης, όμως δεν είναι τόσο αποτελεσματική στην χαρτογράφηση της έντασης καύσης του εδάφους.
Η πολύ υψηλής ακρίβειας χαρτογράφηση της έντασης καύσης βάσει του WorldView – 2 εντόπισε μεγαλύτερη καμμένη έκταση σε σύγκριση με την την αντίστοιχη χαρτογράφηση βάσει Landsat – 8, ειδικά στις περιοχές χαμηλής επίδρασης, όπου η χαμηλή πυκνότητα της κομοστέγης και τα μικρότερα δέντρα εντοπίζονται με αξιοπιστία μόνο στις υψηλής ανάλυσης απεικονίσεις WorldView – 2. Οι καμμένες έκτασεις βάσει Landsat – 8 και WorldView – 2 για τις άλλες κατηγορίες έντασης καύσης βλάστησης είναι πολύ παρόμοιες. Με εξαίρεση κάποιον μεμωνομένο θόρυβο που εμφανίζεται στην χαρτογράφηση έντασης καύσης βλάστησης βάσει αντικειμένων, οι καμμένες εκτάσεις ήταν προσεγγιστικά ίδιες για την ανάλυση βάσει pixel και αντικειμένων των δεδομένων WorldView – 2.

== Συζήτηση ==

'''''Χαρτογράφηση Κομοστέγης με WorldView -2 : Προσεγγίσεις βάσει Pixel και βάσει Αντικειμένων'''''

Ο εντοπισμός στοιχείων με αντικειμενοστρεφή προσέγγιση, χρησιμοποιώντας δεδομένα υψηλής ανάλυσης, έχει βρεθεί πολύτιμος στην ταξινόμηση της βλάστησης, όπου η σκίαση ή άλλοι παράγοντες σύγχυσης μπορούν να περιορίσουν την ακρίβεια. Στην συγκεκριμένη ανάλυση έντασης καύσης βλάστησης, η αντικειμενοστρεφής προσέγγιση εκμεταλλεύτηκε την πληροφορία της υφής για να διακρίνει την βλαστηση της κομοστέγης απο την μη στην απεικόνιση πριν την πυρκαγιά, όμως η πληροφορία της υφής δεν ήταν χρήσιμη στην ταξινόμηση μετά την πυρκαγία, εξαιτίας της σύγχυσης από την καμμένη κόμη σε ζωντανά και καμμένα δέντρα. Παρόλα αυτά, η αντικειμενοστρεφής προσέγγιση απέδωσε υψηλότερους συντελεστές συσχέτισης με τα παράγωγα ανάλυσης της έντασης καύσης των απεικονίσεων Landsat – 8 και τις εκτιμήσεις του σύνθετου δείκτη καύσης στο πεδίο, παρότι η προσέγγιση βάσει pixel έδωσε υψηλότερη ακρίβεια ταξινόμησης στο σύνολο. Φαίνεται να υπάρχει περισσότερος «θόρυβος» που εμφανίζεται ως μεμονωμένα pixel στις κατηγορίες χαμηλής έντασης καύσης που οδήγησε σε χαμηλότερης ακρίβειας ταξινόμηση. Έτσι, η τεχνική βάσει pixel παρέχει μια πιο ακριβής χαρτογράφηση της χωρικής εξάπλωσης των καμμένων δέντρων, ενώ η αντικειμενοστρεφής τεχνική έχει πλεονέκτημα στην εκτίμηση της έντασης καύσης. Στο σύνολο, τόσο η αντικειμενοστρεφής προσέγγιση όσο και η βάσει pixel μπόρεσαν να ταξινομήσουν τις κομοστέγες των δέντρων εκμεταλλευόμενες την υψηλή ανάλυση των δεδομένων WorldView – 2 και πέτυχαν ακρίβεια μεγαλύτερη του 90%. Αυτη η μέθοδος βάσει της απώλειας κάλυψης κομστέγης είναι ιδαίτερα αποτελεσματική στην χαρτογράφηση υψηλών κατηγοριών έντασης καύσης βλάστησης, και ευνοεί σε μεγάλο βαθμό τον εντοπισμό της έντασης καύσης του υπερ – ορόφου της κόμης, εξαιτίας της εγγενής μεθόδου χαρτογράφησης της κομοστέγης αντί για την χαρτογράφηση πολλών ορόφων στο προφίλ των δέντρων, σε αντίθεση με την ενεργητικές μεθόδους χαρτογράφησης (π.χ. Lidar). Η χαρτογράφηση της έντασης καύσης βάσει της απώλειας κάλυψης κομοστέγης σε συνδυασμό με μετρήσεις πεδίου μπορεί να βελτιώσει την αποτελεσματικότητα χρήσης τηλεπισκοπικών δεδομένων για την αξιολόγηση της έντασης καύσης, ειδικά για τις βραχείς περιόδους όπως εξετάζονται σε αυτήν τγην μελέτη.

'''''Δείκτες πρερχόμενοι από τον Landsat – 8 για την Χαρτογράφηση της Έντασης Καύσης Βλάστησης'''''

Βρέθηκε ότι όλοι οι δείκτες προερχόμενοι από τον Landsat – 8 ήταν αποτελεσματικοί στην χαρτογράφηση της έντασης καύσης βλάστησης. Επίσης, βρέθηκε ότι ο NDVI ήταν πιο ευαίσθητος από τον NBR σε αυτήν την μελέτη περίπτωσης, σε αντίθεση με προηγούμενες μελέτες με δεδομένα απο τους δέκτες Landsat TM+ και ΕΤΜ+. Αυτό μπορεί να οφείλεται στους παρακάτω παράγοντες (α) ο NDVI είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικός στην χαρτογράφηση βιομάζας βλάστησης και για αυτό έχει πλεονέκτημα έναντι του NBR, (β) τον βελτιωμένο λόγο σήματος – θορύβου και την αυξημένη ραδιομετρική διακριτική ικανότητα του δέκτη (Landsat – 8) έναντι των προγενέστερων (TM+ και ΕΤΜ+), (γ) μικρές αλλαγές στο εύρος του κόκκινου και του εγγύς υπέρυθρου στον νέο δέκτη, που μπορεί να αύξησε την ευαισθησία του NDVI στην χαρτογράφηση της έντασης καύσης βλάστησης και (δ) μικρές αλλαγές στην ανάκλαση στο εγγύς υπέρυθρο μπορεί να οδηγήσουν σε χαμηλότερη ευαισθησία του NBR από τον NDVI από σε ένα ημιάνυδρο περιβάλλον σε σχέση με ένα υγρό. Επιπλεόν, η απόδοση του NDVI ήταν μεγαλύτερη από άλλους διορθωμένους δείκτες βλάστησης, περισσότερο εξαιτίας του υπολογισμού της χρονικής μεταβολής που απαλλείφει την επίδραση του εδάφους. Βασει των γνώσεων της έρευνας, δεν έχει υπάρξει προγενέστερη αυτής που να εξετάζει την αποτελεσματικότητα δεικτών προερχόμενων από απεικονίσεις Landsat – 8 για την χαρτογράφηση της έντασης καύσης βλάστησης και την σύγκριση με αντίστοιχη χαρτογράφηση από δεδομένα υψηλής ανάλυσης WorldView – 2. H έρευνα είχε την τύχη να έχει απεικονίσεις χωρίς νεφοκάλυψη, για ημερομηνίες πριν και μετά την πυρκαγία. Όμως, προφανώς, υπάρχει ανάγκη περισσότερων ερευνών με την χρήση δεικτών από απεικονίσεις Landsat – 8 για την χαρτογράφηση τόσο της έντασης καύσης βλάστησης όσο και του εδάφους, σε διαφορετικές γεωγραφικές περιοχές για να προκύψει μια συγκριτυική εικόνα της απόδοσης των δεικτών NDVI και NBR, και άλλων δεικτών στην χαρτογράφηση της έντασης καύσης βλάστησης.

'''''Μακροχρόνια Παρακολούθηση μετά την Πυρκαγία για την Αναγέννηση της Βλάστησης'''''

Πέραν της αξιολόγησης των άμεσων επιδράσεων στην βλάστηση, οι μακροχρόνιες επιδράσεις της πυρκαγιάς πρέπει να παρακολουθηθούν και να αξιολογηθούν. Ο βαθμός της αποκατάστασης μετά την πυρκαγιά προσδιορίζεται σε μεγάλο βαθμό από την δριμύτητα της καύσης. Για παράδειγμα, μετά απο μια δριμύα πυρκαγιά στην βόρεια Αριζόνα, μια περιοχή που ήταν πρότερα πευκοδάσος παρέμεινε χορτολιβαδική για μια δεκαετία. Στο μεταξύ, άκαυστες ή λίγο καμμένες εκτάσεις μπορούν να λειτουργήσουν ως πηγή σπόρων για πιο έντονα καμμένες περιοχές. Η θερμοκρασία και η βροχόπτωση όχι μόνο επιρεάζουν την εκδήλωση πυρκαγιάς, αλλά και το μοτίβο της αναγέννησης, κι έτσι υγρά χρόνια μετά την πυρκαγιά θα διευκολύνουν την αναγέννηση ενώ τα ξηρά θα την δυσχεραίνουν, κάτι ιδαίτερα σημαντικό δεδομένης της κλιματικής προεκβολής. Η αναγέννηση μπορεί να μελετηθεί σε βάθος χρόνου με την χρήση ετήσιων δεδομένων τηλεπισκόπησης, όπως δεδομένων Landsat – 8 και WorldView – 2 από το καλοκαίρι του 2014. Η συνεχόμενη παρακολούθηση της αναγέννησης της βλάστησης θα συμβάλλει στην κατανόηση των επιτυχημένων διαδικασιών, ειδικά στον ρόλο της βιομάζας και της συσσώρευσης άνθρακα μετά από μια διαταραχή.

'''''Εφαρμογές στην διαχείριση'''''

Η έντονη μείωση των δασικών πυρκαγιών και συχνοτήτων κατά την διάρκεια του τελευταίου αιώνα από την εγκατάσταση των Apache και την διαχείριση της γης έχει οδηγήσει σε μεταβολές στην δομή του δάσους και του οργανικού φορτίου και για αυτό πιθανώς αύξησε την πιθανότητα εμφάνισης δρυμύτερων δασικών πυρκαγιών. Στο μεταξύ, η υλοτομία και οι επακόλουθες καύσεις αντισταθμίζουν τις αρνητικές επιδράσεις της πυρόσβεσης στις εμπορικές ζώνες του πευκοδάσους, μειώνοντας τις πυκνότητες και τα οργανικά φορτία. Στον αντίποδα, η έλλειψη πόρων για την διαχείριση της γης έχει αυξήσει την ευαισθησία των μη – διαχειριζόμενων περιοχών, οδηγώντας σε μεγαλύτερη ετερογένεια και μέσα στην καμμένη έκταση και πιθανότητα εκδήλωσης καταστροφικών πυρκαγιών. Σε αυτήν την περίπτωση, παρότι παρότι η εκδηλούμενη πυρκαγιά αντιμετωπίστηκε με διαφορετικούς σκοπούς (κατάσβεση σε κάποιες περιοχές και πλεονεκτήματα πόρων σε άλλες), η πυρκαγιά έκαιγε έντονα σε περιοχές που είχαν πρόσφατα υλοτομηθεί, οδηγώντας σε απώλεια παραγώμενης ξυλείας. Οι αρνητικές επιδράσεις της πυρκαγιάς μπορούν να μειωθούν με μηχανική αραίωση του δάσους πριν την καύση για την μείωση της πυκνότητας της βλάστησης και την διακοπή της συνέχειας της καύσιμης ύλης. Επιπλέον, καλύτερη χαρτογράφηση πριν την πυρκαγιά και διερεύνηση των οργανικών φορτίων, της βάσης, της κάλυψης και του ύψους της κομοστέγης, θα βοηθήσει τους διαχειριστές των πυρκαγιών να ετοιμάσουν προτάσεις που μειώνουν την ένταση καύσης, ειδικά εκτός των περιοχών εμπορευματικής χρήσης όπου τα δεδομένα είναι πολύ περιορισμένα.

== Συμπεράσματα ==

Η χρονική μεταβολή δεικτών από απεικονίσεις Landsat – 8 χρησιμοποιήθηκαν για την εκτίμηση της έντασης καύσης βλάστησης σε πάνω από 82% της καμμένης έκτασης από την δασική πυρκαγιά Creek που έλαβε χώρα σε προμελετώμενη περιοχή στο Καταφύγιο Apache του San Carlos το 2013. Από την σύγκριση με την χαρτογράφηση απώλειας κομοστέγης από τις απεικονίσεις υψηλής ανάλυσης WorldView – 2, η ένταση καύσης υπολογιζόμενη από την μεταβολή dNDVI έχει την υψηλότερη βαθμολογία επίδοσης, καθώς και τον υψηλότερο συντελεστή συσχέτισης με τα δεδομένα πεδίου, και έτσι μελλοντικά μπορεί να συμπεριληφθεί στο εθνικό πρόγραμμα χαρτογράφησης της δριμύτηταςτων πυρκαγιών σε συνδυασμό με την χρήση του βασισμένου στο βραχύ υπέρυθρο δείκτη NBR. Οι χάρτες κομοστέγης από τα δεδομένα WorldView – 2, τόσο με την αντικειμενοστρεφής προσέγγιση όσο και με την προσέγγιση βάσει pixel απέδωσαν ακρίβεια >90% στον εντοπισμό της κομοστέγης των δέντρων, και μπορούν να χρησιμοποιηθούν αποτελεσματικά στην ανάλυση της έντασης καύσης της βλάστησης, ειδικά στην αξιολόγηση της έντασης καύσης στον υπέρ – όροφο της κόμης. Εκτός από την χαρτογράφηση της έντασης της πυρκαγιάς, η παρακουλούθηση της αναγέννησης του δάσους θα διαφωτίσει αναφορικά με τις πρακτικές ορθής διαχείρισης που πρέπει να ακολουθηθούν. Οι δύο διακριτές προσεγγίσεις που ακολουθήθηκαν σε αυτήν την μελέτη, της υψηλής ανάλυσης χαρτογράφησης απώλειας κομοστέγης από δεδομένα WorldView – 2 και των διαφορών των φασματικών δεικτών από τα δεδομένα Landsat – 8 έδωσαν υψηλό βαθμό συμφωνίας (συντελεστές συσχέτισης >= 85%). Έτσι, ο δορυφορικός δέκτης Landsat – 8 αποδεικνύεται αποτελεσματικός στην χαρτογράφηση της έντασης καύσης βλάστησης, με χρήση απλών δεικτών βλάστησης όπως ο NDVI σε εκτενής περιοχές, και τα υψηλής ναάλυσης δεδομένα του WorldView -2 μπορούν να παράξουν λεπτομερής χαρτογράφηση της έντασης καύσης βλάστησης από την ποσοστιαία απώλεια της κομοστέγης, και αυτές οι τεχνικές μπορούν έχουν ευρεία εφαρμογή, και δεδομένης της προεκβαλλόμενης αύξησης των δασικών πυρκαγιών. Δεδομένης της μέσης με υψηλής χωρικής διακριτικής ικανότητας και της συχνής χρονικής περιόδου επαναφοράς, ο συνδυασμός των δεκτών Landsat -8 και WorldView – 2 έχει υψηλές προοπτικές στην αναγνώριση εκδήλωσης πυρκαγιών, την χαρτογράφηση της δριμύτητας τους και την παρακολούθηση της αναγέννησης των δασών σε περιφερειακή και εθνική κλίμακα.

[[category:Δασικές Πυρκαγιές]]

Πιπίνη Μαγδαληνή Ιώ

2019-01-31T23:01:55Z

Pmagdaleneio:

[[Τηλεπισκόπηση στο ορεινό περιβάλλον: Εφαρμογές σε ορεινές προστατευόμενες περιοχές βιόσφαιρας|'''Τηλεπισκόπηση στο ορεινό περιβάλλον: Εφαρμογές σε ορεινές προστατευόμενες περιοχές βιόσφαιρας''' (''> Ποιότητα τοπίου'')]]

[[Παρατήρηση πετρελαιοκηλίδων σε θερμική απεικόνιση Landsat: Η περίπτωση Deepwater Horizon|'''Παρατήρηση πετρελαιοκηλίδων σε θερμική απεικόνιση Landsat: Η περίπτωση Deepwater Horizon''' (''>Χαρτογραφηση και παρακολούθηση πετρελαιοκηλίδων>Ωκεανοί και Ακτές>Διαχείριση Κινδύνων'')]]

[[Εντοπισμός βιοφωταυγούς γαλακτερής θάλασσας από το διάστημα|'''Εντοπισμός βιοφωταυγούς γαλακτερής θάλασσας από το διάστημα''' (''>Οικολογία'')]]

[[Εκτίμηση εξατμισοδιαπνοής στην Βραζιλία με την χρήση NDVI δεδομένων|'''Εκτίμηση εξατμισοδιαπνοής στην Βραζιλία με την χρήση NDVI δεδομένων''' (''(1)>Χαρτογράφηση υδροκριτών, υδρολογικών λεκανών, μορφολογικών χαρακτηριστικών του αναγλύφου και υδρογραφικού δικτύου>Υδατικοί Πόροι/ (2)> Χαρτογράφηση βλάστησης λεκάνων απορροής / μοντελοποίηση παραγωγής νερού>Δασοπονία, Δασική διαχείριση'')]]

[[Τηλεπισκόπιση Πλημμυρών και Πλημμυρικά Ευαίσθητων Περιοχών: Μια Επισκόπηση|'''Τηλεπισκόπιση Πλημμυρών και Πλημμυρικά Ευαίσθητων Περιοχών: Μια Επισκόπηση''' (''>Εκτίμηση Καταστροφών πλημμυρών>Διαχείριση Κινδύνων'')]]

[[category:ΔΠΜΣ "Περιβάλλον & Ανάπτυξη" (Αθήνα) ]]

Τηλεπισκόπηση στο ορεινό περιβάλλον: Εφαρμογές σε ορεινές προστατευόμενες περιοχές βιόσφαιρας

2019-01-31T22:58:33Z

Pmagdaleneio:

[[Εικόνα:pipinimmountainsimage01.jpg|thumb|right|Εικόνα 1 Ανάγλυφο τμήματος 40 x 30 km του ψηφιακού μοντέλου εδάφους STRM στις περιοχή των Ιμαλαΐων του Μπουτάν. Οι λευκές περιοχές υποδεικνύουν κενά δεδομένων. Αυτά τα δεδομενα έχουν χωρική ακρίβεια 90 m και είναι ελεύθερα διαθέσιμα για μεγάλες περιοχές του πλανήτη.]]

[[Εικόνα:pipinimmountainsimage02.jpg|thumb|right| Εικόνα 2 Σάρωση laser σε συνδυασμό με μετρήσεις έντασης laser (αριστερά) και σύστημα SAR (δεξιά) επιτρέπουν την αποσαφήνιση της κατακόρυφης δομής των δασών ( της επονομαζόμενης τομογραφίας), σημαντική προϋπόθεση για την διιαχείριση των δασών και των δασικών πυρκαγιών.]]

[[Εικόνα:pipinimmountainsimage03.jpg|thumb|right| Εικόνα 3 Πεδίο ροής του παγετώνα Tasman, στην Ν. Ζηλανδία, όπως προέρχεται από επαναλαμβανόμενες εικόνες του δορυφορικού αισθητήρα ASTER. Παρομοίως, πολλοί τύποι κίνησης του ορεινού εδάφους μπορούν να αναλυθούν μέσω οπτικών τεχνικών και μικροκυμάτων.]]

[[Εικόνα:pipinimmountainsimage04.jpg|thumb|right| Εικόνα 4 Θεματική χαρτογράφηση της μεταβολή του παγετώνα στην οροσειρά Mischabel, στις Ελβετικές Άλπεις, προερχόμενη από έρευνα του 1973 που βασίζεται σε χάρτες και εναέριες φωτογραφίες και δορυφορικές απεικονίσεις του 1985 και 1998. Οι επαναλαμβανόμενες δορυφορικές εικόνες παρέχουν μια απλή και αποτελεσματική μέθοδο για τον εντοπισμό πολλών τύπων αλλαγών στην εδαφική κάλυψη.]]

''Remote sensing of Mountain Environments
Andreas Kääb, Department of Geography, University of Zurich, Switzerland
Unesco Publications: Proceedings Second and Third GLOCHAMORE Workshop, pp. 92-99''

== Ψηφιακά Μοντέλα Εδάφους ==

Τοπογραφικά, το έντονο ανάγλυφο καθορίζει τον ορεινό όγκο. Έτσι, το Ψηφιακό Μοντέλο Εδάφους (ΨΜΕ) αποτελεί συνηθως την βασική πληροφορία για τα συστήματα γεωγραφικών πληροφοριών ή τα χωρικά μοντέλα που εφαρμόζονται στις ορεινές περιοχές.
Τα ΨΜΕ που προέρχονται από δορυφορικά δεδομένα υπολογίζονται από οπτικούς στερεοσκοπικούς δορυφόρους και interferometric SAR (InSAR). Οι στερεοσκοπικοί δορυφόροι χρησιμοποιώντας αισθητήρες ASTER ή SPOT5 παρέχουν ΨΜΕ με χωρική διακριτική ικανότητα της τάξης των δεκάδων μέτρων και κατακόρυφη ακρίβεια της τάξης μερικών μέτρων έως μερικών δεκάδων μέτρων. Tα ΨΜΕ που προέρχονται από InSAR έχουν παρόμοιες χωρικές διακριτικές ικανότητες και ακρίβεια αλλά δεν περιορίζονται από την νεφοκάλυψη την στιγμή απόκτησης των δεδομένων.
Έδω παρουσιάζεται, ενδεικτικά, το ΨΜΕ προερχόμενο από δεδομένα της αποστολής STRM, με χωρική διακριτική ικανοτητα 90 m και κατακόρυφη ακρίβεια της τάξης των μέτρων με δεκάδων μέτρων.
Δεδομένα ΨΜΕ με καλύτερη χωρική διακριτική ικανότητα και κατακόρυφη ακρίβεια προερχονται από την αεροφωτογραμμετρία, InSAR επί αεροσκάφους και σάρωση laser. Η στερεοφωτογραμμετρία είναι μια από τις πιο καθιερωμένες μεθόδους δημιουργία ΨΜΕ. ΨΜΕ που προέρχονται από εφαρμογές στερεοφωτογραμμετρίας ή εναέρια InSAR έχουν χωρική διακριτική ικανότητα της ταξης των μέτρων έως δεκάδων μέτρων και κατακόρυφη ακρίβεια στο εύρος των εκατοστών έως μέτρων. Η εφαρμογές σάρωσης με laser έχουν την μεγαλύτερη κατακόρυφη ακρίβεια και πυκνότητα δεδομένων της τάξης των μέτρων, με πολλές προοπτικές ανάπτυξης.
Εφαρμογές InSAR και σάρωσης με laser χρησιμοποιούνται επίσης στην δασική τομογραφία, για την διαχείριση των δασών και των δασικών πυρκαγιών. Η κατακόρυφη δομή του δάσους μπορεί να αναλυθεί όταν οι ανακλάσεις σε διαφορετικα ύψη της φυτικής στήλης καταγραφούν και το πλάτος του σήματος (που μεταβάλλεται με το μέγεθος και την πυκνότητα του φυλλώματος) αναλυθούν. Ομοίως, διαφορετικά μήκη κύματος radar δυεισδύουν διαφορετικά στην συγκόμωση. Συστήματα SAR πολλαπλών συχνοτήτων μπορούν επίσης να αποσαφηνίσουν την κατακόρυφη δομή του δάσους.
Για λεπτομερείς τοπικές έρευνες, εδαφικές μέθοδοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ΨΜΕ. Τα παγκόσμια δορυφορικά συστήμα πλοηγησης (π.χ. GPS) κι optical levelling απαιτούν απευθείας πρόσβαση στα σημεία του ΨΜΕ, αλλά παρέχουν ακρίβεια εκατοστού έως χιλιοστού. Κοντινού εύρους τεχνικές είναι διαθέσιμες για πολικά συστήματα με laser. Η εδαφική σάρωση με laser είναι μια ανερχόμενη τεχνολογία που παρέχει μια σχεδόν συνεχόμενη περιγραφή των αντικειμένων της επιφανειακής γεωμετρίας.

== Εδαφική Μετακίνηση ==

Τα συστήματα μετακίνησης μαζών είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικά στα βουνά. Κινητοποιούν την εξέλιξη του ορεινού τοπίου και σχετικές διεργασίες.
Κατακόρυφες μεταβολές, π.χ. μεταβολές στο πάχος των παγετώνων ή διαφορετικών τύπων συσσωρεύσεις / διαβρώσεις, μπορούν να προκύψουν ως διαφορές μεταξύ επαναλαμβανόμενων ΨΜΕ. Η οριζόντια μετακίνηση παγετώνων μπορεί υπό συγκεκριμένες συνθήκες να μετρηθεί με αντιστοίχιση μεταξύ επαναλαμβανόμενων δορυφορικών εικόνων, με οριζόντια ακρίβεια της τάξης των δεκάδων μετρων. Παρόμοιες τεχνικές εφαρμόζονται σε εναέριες και εδαφικές φωτογραφίες, επισημαίνοντας οριζόντιες εδαφικές μετατοπίσεις σε εδαφικές πλάκες, παγετώνες και βραχώδεις παγετώνες, με ακρίβεια της τάξης των εκατοστών έως δεκάτων του μέτρου. Η επιφανειακή κίνηση του ξηρού εδάφους μπορεί να προσδιορισθεί με ακρίβεια χιλιοστού με δορυφορικές επαναλαμβανόμενες εφαρμογές InSAR. Αυτή η τεχνική χρησιμοποιείται κυρίως για τη παρακολούθηση της μετακίνησης εδαφικών πλακών.
Τυπικές εδαφικές μέθοδοι για την παρατήρηση της κίνησης μεμονωμένων εδαφικών σημείων είναι το παγκόσμια δορυφορικά συστήματα πλοήγησης και polar survey.

== Επιφανειακή κάλυψη ==

Μια από τις πιο συνήθεις εφαρμογές της τηλεπισκόπησης είναι η χαρτογράφηση και ο χαρακτηρισμός της εδαφικής επιφάνειας. Η χειροκίνητη και η ημι-αυτόματη κατάτμηση των οπτικών εικόνων για τον προσδιορισμό της βλάστησης, των επιφανειακών υδάτων, του χιονιού, του πάγου, των βράχων, ανθρώπινων αντικειμένων, μπορεί να βασιστεί σε πανχρωματικές ή έγχρωμες εικόνες. Η πολυφασματική τηλεπισκοπική απεικόνιση προσφερει την δυνατότητα αυτόματης κατηγοριοποίησης της εδαφικής κάλυψης, αξιοποιώντας την μεταβολή της ανακλαστικότητας με το μήκος κύματος, που διαφερει για τους περισσότερους τύπους επιφανείας. Εκτός από τις καθαρά φασματικές μεθόδους, οι φασματικές – χωρικές μέθοδοι είναι ιδιαίτερα υποσχόμενοι περιλαμβάνοντας π.χ. σχέσεις ΨΜΕ ή γειτνίασης. Η αξιοποίηση του φασματος στο υπέρυθρο και το θερμικό δίνει αποτελέσματα που δεν μπορούν να επιτευχθούν από το ανθρώπινο μάτι. Οι πολυφασματικές τεχνικές ανάλυσης είναι ιδιαίτερα ισχυρές για τον εντοπισμό αλλαγών σε επαναλαμβανόμενες εικόνες, μάλιστα αλλαγών στην κάλυψη/χρήση γης.
Μια άλλη δέσμη επιφανειακών χαρακτηρισμών, που είναι πολύ διαφορετική σε σύγκριση με τις παραπάνω οπτικές μεθόδους, προκύπτει από την ανάλυση της οπισθοσκέδασης SAR. Οι τεχνικές αυτές βρίσκονται ακόμα σε πειραματικό στάδιο. Παρομοίως, η χρήση εκατοντάδων φασματικών καναλιών πολύ μικρού εύρους (υπερφασματική τηλεπισκόπηση) αντί για κανάλια μεγάλου εύρους σε πολυφασματικές απεικονίσεις επιτρέπει ένα πιο λεπτομερή αλλά πιο πολυπλοκο επιφανειακό χαρακτηρισμό (π.χ. βλάστηση, λιθολογία, σύσταση επιφανειακών υδάτων).
Γενικά, η ακρίβεια ταξινομήσεων κι χαρτογραφήσεων προερχόμενων από δεδομένα πολυφασματικά ή SAR είναι της τάξης μεγέθους του εικονοστοιχείου (pixel) της εφαρμοζόμενης απεικόνισης, κυμαινόμενη από μέτρα έως δεκάδες ή εκατοντάδες μέτρα για δορυφορικούς αισθητήρες και εκατοστά έως μέτρα για εναέριους αισθητήρες.

== Τηλεπισκόπηση στις ορεινές προστατευόμενες περιοχές βιόσφαιρας – μια πρόταση ==

Οι πιθανές εφαρμογές της τηλεπισκόπησης στα ορεινά περιβάλλοντα, ειδικότερα στις προστατευόμενες περιοχές βιόσφαιρας της UNESCO, είναι πολύ πολύπλευρες για να παρατεθούν εδώ και εξαρτώνται ευρέως από τους ανθρώπινους, τους τεχνικούς και τους οικονομικούς πόρους, και το επίπεδο γνώσης που είναι διαθέσιμο στην συγκεκριμένη περιοχή προστασίας. Πρέπει επομένως η προσπάθεια να εστιάσει στον καθορισμό ενός ελάχιστου αλλά παγκοσμίου πακέτου δεδομένων, μεθόδων και τεχνογνωσίας με βάση στις τηλεπισκοπικές εφαρμογές σις ορεινές περιοχές προστασίας βιόσφαιρας. Το μελλοντικό αποτέλεσμα μιας τέτοιας στρατηγικής θα είναι ένα, σε κάποιο βαθμό, τυποποιημένο και άρα συμβατό σετ δεδομένων, μεθόδων και αποτελεσμάτων, που θα διευκολύνει την ανταλλαγή γνώσης και την υποστήριξη μεταξύ των περιοχών προστασίας. Θα διευκολυνεται, έτσι, η βιώσιμη αξιοποίηση της τηλεπισκόπησης στην χαρτογράφηση, την παρακολούθηση και την μοντελοποίηση των περιοχών προστασίας. Στην στρατηγική αυτή κατεύθυνση προτείνονται (1) η διεξαγωγή ενός αντιπροσωπευτικού πακέτου πιλοτικων ερευνών, (2) η διερεύνηση των αναγκών και των διαθέσιμων πόρων ΓΣΠ και τηλεπισκόπισης, (3) επιλογή των επιπέδων πολυπλοκότητας και (4) επιλογή των σχετικών πακέτων δεδομένων και μεθόδων.

[[category:Ποιότητα τοπίου]]

Αρχείο:Pipinimmountainsimage04.jpg

2019-01-31T22:57:16Z

Pmagdaleneio: Θεματική χαρτογράφηση της μεταβολή του παγετώνα στην οροσειρά Mischabel, στις Ελβετικές Άλπεις, προερχόμενη από έρευνα του 1973 που βασίζεται σε

Θεματική χαρτογράφηση της μεταβολή του παγετώνα στην οροσειρά Mischabel, στις Ελβετικές Άλπεις, προερχόμενη από έρευνα του 1973 που βασίζεται σε χάρτες και εναέριες φωτογραφίες και δορυφορικές απεικονίσεις του 1985 και 1998. Οι επαναλαμβανόμενες δορυφορικές εικόνες παρέχουν μια απλή και αποτελεσματική μέθοδο για τον εντοπισμό πολλών τύπων αλλαγών στην εδαφική κάλυψη.

Αρχείο:Pipinimmountainsimage03.jpg

2019-01-31T22:56:41Z

Pmagdaleneio: Πεδίο ροής του παγετώνα Tasman, στην Ν. Ζηλανδία, όπως προέρχεται από επαναλαμβανόμενες εικόνες του δορυφορικού αισθητήρα ASTER. Παρομοίως, πολλ�

Πεδίο ροής του παγετώνα Tasman, στην Ν. Ζηλανδία, όπως προέρχεται από επαναλαμβανόμενες εικόνες του δορυφορικού αισθητήρα ASTER. Παρομοίως, πολλοί τύποι κίνησης του ορεινού εδάφους μπορούν να αναλυθούν μέσω οπτικών τεχνικών και μικροκυμάτων.

Αρχείο:Pipinimmountainsimage02.jpg

2019-01-31T22:56:14Z

Pmagdaleneio: Σάρωση laser σε συνδυασμό με μετρήσεις έντασης laser (αριστερά) και σύστημα SAR (δεξιά) επιτρέπουν την αποσαφήνιση της κατακόρυφης δομής των δασών

Σάρωση laser σε συνδυασμό με μετρήσεις έντασης laser (αριστερά) και σύστημα SAR (δεξιά) επιτρέπουν την αποσαφήνιση της κατακόρυφης δομής των δασών ( της επονομαζόμενης τομογραφίας), σημαντική προϋπόθεση για την διιαχείριση των δασών και των δασικών πυρκαγιών.

Αρχείο:Pipinimmountainsimage01.jpg

2019-01-31T22:55:25Z

Pmagdaleneio: Ανάγλυφο τμήματος 40 x 30 km του ψηφιακού μοντέλου εδάφους STRM στις περιοχή των Ιμαλαΐων του Μπουτάν. Οι λευκές περιοχές υποδεικνύουν κενά δεδ�

Ανάγλυφο τμήματος 40 x 30 km του ψηφιακού μοντέλου εδάφους STRM στις περιοχή των Ιμαλαΐων του Μπουτάν. Οι λευκές περιοχές υποδεικνύουν κενά δεδομένων. Αυτά τα δεδομενα έχουν χωρική ακρίβεια 90 m και είναι ελεύθερα διαθέσιμα για μεγάλες περιοχές του πλανήτη.

Τηλεπισκόπηση στο ορεινό περιβάλλον: Εφαρμογές σε ορεινές προστατευόμενες περιοχές βιόσφαιρας

2019-01-31T22:50:37Z

Pmagdaleneio: Νέα σελίδα με '[[Εικόνα:pipinimmountains01.jpg|thumb|right|Εικόνα 1 Ανάγλυφο τμήματος 40 x 30 km του ψηφιακού μοντέλου εδάφους STRM...'

[[Εικόνα:pipinimmountains01.jpg|thumb|right|Εικόνα 1 Ανάγλυφο τμήματος 40 x 30 km του ψηφιακού μοντέλου εδάφους STRM στις περιοχή των Ιμαλαΐων του Μπουτάν. Οι λευκές περιοχές υποδεικνύουν κενά δεδομένων. Αυτά τα δεδομενα έχουν χωρική ακρίβεια 90 m και είναι ελεύθερα διαθέσιμα για μεγάλες περιοχές του πλανήτη.]]

[[Εικόνα:pipinimmountains02.jpg|thumb|right| Εικόνα 2 Σάρωση laser σε συνδυασμό με μετρήσεις έντασης laser (αριστερά) και σύστημα SAR (δεξιά) επιτρέπουν την αποσαφήνιση της κατακόρυφης δομής των δασών ( της επονομαζόμενης τομογραφίας), σημαντική προϋπόθεση για την διιαχείριση των δασών και των δασικών πυρκαγιών.]]

[[Εικόνα:pipinimmountains03.jpg|thumb|right| Εικόνα 3 Πεδίο ροής του παγετώνα Tasman, στην Ν. Ζηλανδία, όπως προέρχεται από επαναλαμβανόμενες εικόνες του δορυφορικού αισθητήρα ASTER. Παρομοίως, πολλοί τύποι κίνησης του ορεινού εδάφους μπορούν να αναλυθούν μέσω οπτικών τεχνικών και μικροκυμάτων.]]

[[Εικόνα:pipinimmountains04.jpg|thumb|right| Εικόνα 4 Θεματική χαρτογράφηση της μεταβολή του παγετώνα στην οροσειρά Mischabel, στις Ελβετικές Άλπεις, προερχόμενη από έρευνα του 1973 που βασίζεται σε χάρτες και εναέριες φωτογραφίες και δορυφορικές απεικονίσεις του 1985 και 1998. Οι επαναλαμβανόμενες δορυφορικές εικόνες παρέχουν μια απλή και αποτελεσματική μέθοδο για τον εντοπισμό πολλών τύπων αλλαγών στην εδαφική κάλυψη.]]

''Remote sensing of Mountain Environments
Andreas Kääb, Department of Geography, University of Zurich, Switzerland
Unesco Publications: Proceedings Second and Third GLOCHAMORE Workshop, pp. 92-99''

== Ψηφιακά Μοντέλα Εδάφους ==

Τοπογραφικά, το έντονο ανάγλυφο καθορίζει τον ορεινό όγκο. Έτσι, το Ψηφιακό Μοντέλο Εδάφους (ΨΜΕ) αποτελεί συνηθως την βασική πληροφορία για τα συστήματα γεωγραφικών πληροφοριών ή τα χωρικά μοντέλα που εφαρμόζονται στις ορεινές περιοχές.
Τα ΨΜΕ που προέρχονται από δορυφορικά δεδομένα υπολογίζονται από οπτικούς στερεοσκοπικούς δορυφόρους και interferometric SAR (InSAR). Οι στερεοσκοπικοί δορυφόροι χρησιμοποιώντας αισθητήρες ASTER ή SPOT5 παρέχουν ΨΜΕ με χωρική διακριτική ικανότητα της τάξης των δεκάδων μέτρων και κατακόρυφη ακρίβεια της τάξης μερικών μέτρων έως μερικών δεκάδων μέτρων. Tα ΨΜΕ που προέρχονται από InSAR έχουν παρόμοιες χωρικές διακριτικές ικανότητες και ακρίβεια αλλά δεν περιορίζονται από την νεφοκάλυψη την στιγμή απόκτησης των δεδομένων.
Έδω παρουσιάζεται, ενδεικτικά, το ΨΜΕ προερχόμενο από δεδομένα της αποστολής STRM, με χωρική διακριτική ικανοτητα 90 m και κατακόρυφη ακρίβεια της τάξης των μέτρων με δεκάδων μέτρων.
Δεδομένα ΨΜΕ με καλύτερη χωρική διακριτική ικανότητα και κατακόρυφη ακρίβεια προερχονται από την αεροφωτογραμμετρία, InSAR επί αεροσκάφους και σάρωση laser. Η στερεοφωτογραμμετρία είναι μια από τις πιο καθιερωμένες μεθόδους δημιουργία ΨΜΕ. ΨΜΕ που προέρχονται από εφαρμογές στερεοφωτογραμμετρίας ή εναέρια InSAR έχουν χωρική διακριτική ικανότητα της ταξης των μέτρων έως δεκάδων μέτρων και κατακόρυφη ακρίβεια στο εύρος των εκατοστών έως μέτρων. Η εφαρμογές σάρωσης με laser έχουν την μεγαλύτερη κατακόρυφη ακρίβεια και πυκνότητα δεδομένων της τάξης των μέτρων, με πολλές προοπτικές ανάπτυξης.
Εφαρμογές InSAR και σάρωσης με laser χρησιμοποιούνται επίσης στην δασική τομογραφία, για την διαχείριση των δασών και των δασικών πυρκαγιών. Η κατακόρυφη δομή του δάσους μπορεί να αναλυθεί όταν οι ανακλάσεις σε διαφορετικα ύψη της φυτικής στήλης καταγραφούν και το πλάτος του σήματος (που μεταβάλλεται με το μέγεθος και την πυκνότητα του φυλλώματος) αναλυθούν. Ομοίως, διαφορετικά μήκη κύματος radar δυεισδύουν διαφορετικά στην συγκόμωση. Συστήματα SAR πολλαπλών συχνοτήτων μπορούν επίσης να αποσαφηνίσουν την κατακόρυφη δομή του δάσους.
Για λεπτομερείς τοπικές έρευνες, εδαφικές μέθοδοι μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την παραγωγή ΨΜΕ. Τα παγκόσμια δορυφορικά συστήμα πλοηγησης (π.χ. GPS) κι optical levelling απαιτούν απευθείας πρόσβαση στα σημεία του ΨΜΕ, αλλά παρέχουν ακρίβεια εκατοστού έως χιλιοστού. Κοντινού εύρους τεχνικές είναι διαθέσιμες για πολικά συστήματα με laser. Η εδαφική σάρωση με laser είναι μια ανερχόμενη τεχνολογία που παρέχει μια σχεδόν συνεχόμενη περιγραφή των αντικειμένων της επιφανειακής γεωμετρίας.

== Εδαφική Μετακίνηση ==

Τα συστήματα μετακίνησης μαζών είναι ιδιαίτερα αποτελεσματικά στα βουνά. Κινητοποιούν την εξέλιξη του ορεινού τοπίου και σχετικές διεργασίες.
Κατακόρυφες μεταβολές, π.χ. μεταβολές στο πάχος των παγετώνων ή διαφορετικών τύπων συσσωρεύσεις / διαβρώσεις, μπορούν να προκύψουν ως διαφορές μεταξύ επαναλαμβανόμενων ΨΜΕ. Η οριζόντια μετακίνηση παγετώνων μπορεί υπό συγκεκριμένες συνθήκες να μετρηθεί με αντιστοίχιση μεταξύ επαναλαμβανόμενων δορυφορικών εικόνων, με οριζόντια ακρίβεια της τάξης των δεκάδων μετρων. Παρόμοιες τεχνικές εφαρμόζονται σε εναέριες και εδαφικές φωτογραφίες, επισημαίνοντας οριζόντιες εδαφικές μετατοπίσεις σε εδαφικές πλάκες, παγετώνες και βραχώδεις παγετώνες, με ακρίβεια της τάξης των εκατοστών έως δεκάτων του μέτρου. Η επιφανειακή κίνηση του ξηρού εδάφους μπορεί να προσδιορισθεί με ακρίβεια χιλιοστού με δορυφορικές επαναλαμβανόμενες εφαρμογές InSAR. Αυτή η τεχνική χρησιμοποιείται κυρίως για τη παρακολούθηση της μετακίνησης εδαφικών πλακών.
Τυπικές εδαφικές μέθοδοι για την παρατήρηση της κίνησης μεμονωμένων εδαφικών σημείων είναι το παγκόσμια δορυφορικά συστήματα πλοήγησης και polar survey.

== Επιφανειακή κάλυψη ==

Μια από τις πιο συνήθεις εφαρμογές της τηλεπισκόπησης είναι η χαρτογράφηση και ο χαρακτηρισμός της εδαφικής επιφάνειας. Η χειροκίνητη και η ημι-αυτόματη κατάτμηση των οπτικών εικόνων για τον προσδιορισμό της βλάστησης, των επιφανειακών υδάτων, του χιονιού, του πάγου, των βράχων, ανθρώπινων αντικειμένων, μπορεί να βασιστεί σε πανχρωματικές ή έγχρωμες εικόνες. Η πολυφασματική τηλεπισκοπική απεικόνιση προσφερει την δυνατότητα αυτόματης κατηγοριοποίησης της εδαφικής κάλυψης, αξιοποιώντας την μεταβολή της ανακλαστικότητας με το μήκος κύματος, που διαφερει για τους περισσότερους τύπους επιφανείας. Εκτός από τις καθαρά φασματικές μεθόδους, οι φασματικές – χωρικές μέθοδοι είναι ιδιαίτερα υποσχόμενοι περιλαμβάνοντας π.χ. σχέσεις ΨΜΕ ή γειτνίασης. Η αξιοποίηση του φασματος στο υπέρυθρο και το θερμικό δίνει αποτελέσματα που δεν μπορούν να επιτευχθούν από το ανθρώπινο μάτι. Οι πολυφασματικές τεχνικές ανάλυσης είναι ιδιαίτερα ισχυρές για τον εντοπισμό αλλαγών σε επαναλαμβανόμενες εικόνες, μάλιστα αλλαγών στην κάλυψη/χρήση γης.
Μια άλλη δέσμη επιφανειακών χαρακτηρισμών, που είναι πολύ διαφορετική σε σύγκριση με τις παραπάνω οπτικές μεθόδους, προκύπτει από την ανάλυση της οπισθοσκέδασης SAR. Οι τεχνικές αυτές βρίσκονται ακόμα σε πειραματικό στάδιο. Παρομοίως, η χρήση εκατοντάδων φασματικών καναλιών πολύ μικρού εύρους (υπερφασματική τηλεπισκόπηση) αντί για κανάλια μεγάλου εύρους σε πολυφασματικές απεικονίσεις επιτρέπει ένα πιο λεπτομερή αλλά πιο πολυπλοκο επιφανειακό χαρακτηρισμό (π.χ. βλάστηση, λιθολογία, σύσταση επιφανειακών υδάτων).
Γενικά, η ακρίβεια ταξινομήσεων κι χαρτογραφήσεων προερχόμενων από δεδομένα πολυφασματικά ή SAR είναι της τάξης μεγέθους του εικονοστοιχείου (pixel) της εφαρμοζόμενης απεικόνισης, κυμαινόμενη από μέτρα έως δεκάδες ή εκατοντάδες μέτρα για δορυφορικούς αισθητήρες και εκατοστά έως μέτρα για εναέριους αισθητήρες.

== Τηλεπισκόπηση στις ορεινές προστατευόμενες περιοχές βιόσφαιρας – μια πρόταση ==

Οι πιθανές εφαρμογές της τηλεπισκόπησης στα ορεινά περιβάλλοντα, ειδικότερα στις προστατευόμενες περιοχές βιόσφαιρας της UNESCO, είναι πολύ πολύπλευρες για να παρατεθούν εδώ και εξαρτώνται ευρέως από τους ανθρώπινους, τους τεχνικούς και τους οικονομικούς πόρους, και το επίπεδο γνώσης που είναι διαθέσιμο στην συγκεκριμένη περιοχή προστασίας. Πρέπει επομένως η προσπάθεια να εστιάσει στον καθορισμό ενός ελάχιστου αλλά παγκοσμίου πακέτου δεδομένων, μεθόδων και τεχνογνωσίας με βάση στις τηλεπισκοπικές εφαρμογές σις ορεινές περιοχές προστασίας βιόσφαιρας. Το μελλοντικό αποτέλεσμα μιας τέτοιας στρατηγικής θα είναι ένα, σε κάποιο βαθμό, τυποποιημένο και άρα συμβατό σετ δεδομένων, μεθόδων και αποτελεσμάτων, που θα διευκολύνει την ανταλλαγή γνώσης και την υποστήριξη μεταξύ των περιοχών προστασίας. Θα διευκολυνεται, έτσι, η βιώσιμη αξιοποίηση της τηλεπισκόπησης στην χαρτογράφηση, την παρακολούθηση και την μοντελοποίηση των περιοχών προστασίας. Στην στρατηγική αυτή κατεύθυνση προτείνονται (1) η διεξαγωγή ενός αντιπροσωπευτικού πακέτου πιλοτικων ερευνών, (2) η διερεύνηση των αναγκών και των διαθέσιμων πόρων ΓΣΠ και τηλεπισκόπισης, (3) επιλογή των επιπέδων πολυπλοκότητας και (4) επιλογή των σχετικών πακέτων δεδομένων και μεθόδων.

[[category:Ποιότητα τοπίου]]

Πιπίνη Μαγδαληνή Ιώ

2019-01-31T22:26:03Z

Pmagdaleneio:

[[Εκτίμηση εξατμισοδιαπνοής στην Βραζιλία με την χρήση NDVI δεδομένων|'''Εκτίμηση εξατμισοδιαπνοής στην Βραζιλία με την χρήση NDVI δεδομένων''' (''(1)>Χαρτογράφηση υδροκριτών, υδρολογικών λεκανών, μορφολογικών χαρακτηριστικών του αναγλύφου και υδρογραφικού δικτύου>Υδατικοί Πόροι/ (2)> Χαρτογράφηση βλάστησης λεκάνων απορροής / μοντελοποίηση παραγωγής νερού>Δασοπονία, Δασική διαχείριση'')]]

[[Παρατήρηση πετρελαιοκηλίδων σε θερμική απεικόνιση Landsat: Η περίπτωση Deepwater Horizon|'''Παρατήρηση πετρελαιοκηλίδων σε θερμική απεικόνιση Landsat: Η περίπτωση Deepwater Horizon''' (''>Χαρτογραφηση και παρακολούθηση πετρελαιοκηλίδων>Ωκεανοί και Ακτές>Διαχείριση Κινδύνων'')]]

[[Εντοπισμός βιοφωταυγούς γαλακτερής θάλασσας από το διάστημα|'''Εντοπισμός βιοφωταυγούς γαλακτερής θάλασσας από το διάστημα''' (''>Οικολογία'')]]

[[Τηλεπισκόπιση Πλημμυρών και Πλημμυρικά Ευαίσθητων Περιοχών: Μια Επισκόπηση|'''Τηλεπισκόπιση Πλημμυρών και Πλημμυρικά Ευαίσθητων Περιοχών: Μια Επισκόπηση''' (''>Εκτίμηση Καταστροφών πλημμυρών>Διαχείριση Κινδύνων'')]]

[[category:ΔΠΜΣ "Περιβάλλον & Ανάπτυξη" (Αθήνα) ]]

Πιπίνη Μαγδαληνή Ιώ

2019-01-31T22:25:44Z

Pmagdaleneio:

[[Εκτίμηση εξατμισοδιαπνοής στην Βραζιλία με την χρήση NDVI δεδομένων|'''Εκτίμηση εξατμισοδιαπνοής στην Βραζιλία με την χρήση NDVI δεδομένων''' (''(1)>Χαρτογράφηση υδροκριτών, υδρολογικών λεκανών, μορφολογικών χαρακτηριστικών του αναγλύφου και υδρογραφικού δικτύου>Υδατικοί Πόροι/(2)> Χαρτογράφηση βλάστησης λεκάνων απορροής / μοντελοποίηση παραγωγής νερού>Δασοπονία, Δασική διαχείριση'')]]

[[Παρατήρηση πετρελαιοκηλίδων σε θερμική απεικόνιση Landsat: Η περίπτωση Deepwater Horizon|'''Παρατήρηση πετρελαιοκηλίδων σε θερμική απεικόνιση Landsat: Η περίπτωση Deepwater Horizon''' (''>Χαρτογραφηση και παρακολούθηση πετρελαιοκηλίδων>Ωκεανοί και Ακτές>Διαχείριση Κινδύνων'')]]

[[Εντοπισμός βιοφωταυγούς γαλακτερής θάλασσας από το διάστημα|'''Εντοπισμός βιοφωταυγούς γαλακτερής θάλασσας από το διάστημα''' (''>Οικολογία'')]]

[[Τηλεπισκόπιση Πλημμυρών και Πλημμυρικά Ευαίσθητων Περιοχών: Μια Επισκόπηση|'''Τηλεπισκόπιση Πλημμυρών και Πλημμυρικά Ευαίσθητων Περιοχών: Μια Επισκόπηση''' (''>Εκτίμηση Καταστροφών πλημμυρών>Διαχείριση Κινδύνων'')]]

[[category:ΔΠΜΣ "Περιβάλλον & Ανάπτυξη" (Αθήνα) ]]

Πιπίνη Μαγδαληνή Ιώ

2019-01-31T22:25:00Z

Pmagdaleneio:

[[Εκτίμηση εξατμισοδιαπνοής στην Βραζιλία με την χρήση NDVI δεδομένων|'''Εκτίμηση εξατμισοδιαπνοής στην Βραζιλία με την χρήση NDVI δεδομένων''' (''(1)>Χαρτογράφηση υδροκριτών, υδρολογικών λεκανών, μορφολογικών χαρακτηριστικών του αναγλύφου και υδρογραφικού δικτύου>Υδατικοί Πόροι/> Χαρτογράφηση βλάστησης λεκάνων απορροής, (2) μοντελοποίηση παραγωγής νερού>Δασοπονία, Δασική διαχείριση'')]]

[[Παρατήρηση πετρελαιοκηλίδων σε θερμική απεικόνιση Landsat: Η περίπτωση Deepwater Horizon|'''Παρατήρηση πετρελαιοκηλίδων σε θερμική απεικόνιση Landsat: Η περίπτωση Deepwater Horizon''' (''>Χαρτογραφηση και παρακολούθηση πετρελαιοκηλίδων>Ωκεανοί και Ακτές>Διαχείριση Κινδύνων'')]]

[[Εντοπισμός βιοφωταυγούς γαλακτερής θάλασσας από το διάστημα|'''Εντοπισμός βιοφωταυγούς γαλακτερής θάλασσας από το διάστημα''' (''>Οικολογία'')]]

[[Τηλεπισκόπιση Πλημμυρών και Πλημμυρικά Ευαίσθητων Περιοχών: Μια Επισκόπηση|'''Τηλεπισκόπιση Πλημμυρών και Πλημμυρικά Ευαίσθητων Περιοχών: Μια Επισκόπηση''' (''>Εκτίμηση Καταστροφών πλημμυρών>Διαχείριση Κινδύνων'')]]

[[category:ΔΠΜΣ "Περιβάλλον & Ανάπτυξη" (Αθήνα) ]]

Πιπίνη Μαγδαληνή Ιώ

2019-01-31T22:24:21Z

Pmagdaleneio:

[[Εκτίμηση εξατμισοδιαπνοής στην Βραζιλία με την χρήση NDVI δεδομένων|'''Εκτίμηση εξατμισοδιαπνοής στην Βραζιλία με την χρήση NDVI δεδομένων''' (''>Χαρτογράφηση υδροκριτών, υδρολογικών λεκανών, μορφολογικών χαρακτηριστικών του αναγλύφου και υδρογραφικού δικτύου>Υδατικοί Πόροι/> Χαρτογράφηση βλάστησης λεκάνων απορροής / μοντελοποίηση παραγωγής νερού>Δασοπονία, Δασική διαχείριση'')]]

[[Παρατήρηση πετρελαιοκηλίδων σε θερμική απεικόνιση Landsat: Η περίπτωση Deepwater Horizon|'''Παρατήρηση πετρελαιοκηλίδων σε θερμική απεικόνιση Landsat: Η περίπτωση Deepwater Horizon''' (''>Χαρτογραφηση και παρακολούθηση πετρελαιοκηλίδων>Ωκεανοί και Ακτές>Διαχείριση Κινδύνων'')]]

[[Εντοπισμός βιοφωταυγούς γαλακτερής θάλασσας από το διάστημα|'''Εντοπισμός βιοφωταυγούς γαλακτερής θάλασσας από το διάστημα''' (''>Οικολογία'')]]

[[Τηλεπισκόπιση Πλημμυρών και Πλημμυρικά Ευαίσθητων Περιοχών: Μια Επισκόπηση|'''Τηλεπισκόπιση Πλημμυρών και Πλημμυρικά Ευαίσθητων Περιοχών: Μια Επισκόπηση''' (''>Εκτίμηση Καταστροφών πλημμυρών>Διαχείριση Κινδύνων'')]]

[[category:ΔΠΜΣ "Περιβάλλον & Ανάπτυξη" (Αθήνα) ]]

Εκτίμηση εξατμισοδιαπνοής στην Βραζιλία με την χρήση NDVI δεδομένων

2019-01-31T22:08:59Z

Pmagdaleneio:

[[Εικόνα:pipinimpetndviimage01.png|thumb|right|Εικόνα 1 Χαρτογράφηση της βλάστησης με μοντελοποίηση SSiB (χωρική διακριτική ικανότητα:0.25º x 0.25º).]]

[[Εικόνα:pipinimpetndviimage02.png|thumb|right|Εικόνα 2 Ετήσιοι μέσοι της εξατμισοδιαπνοής (ΕΤP) και του δείκτη NDVI για διαφορετικούς τύπους βιομάζας στην Βραζιλία.]]

[[Εικόνα:pipinimpetndviimage03.png|thumb|right| Εικόνα 3 Μηνιαίοι μέσοι της δυνητικής εξατμισοδιαπνοής στην Βραζιλία για την περίοδο 1981 – 2000, όπως υπολογίσθηκαν βάσει του δείκτη NDVI (Ιανουάριος – Ιούνιος).]]

[[Εικόνα:pipinimpetndviimage04.png|thumb|right| Εικόνα 4 Μηνιαίοι μέσοι της δυνητικής εξατμισοδιαπνοής στην Βραζιλία για την περίοδο 1981 – 2000, όπως υπολογίσθηκαν βάσει του δείκτη NDVI (Ιούλιος – Δεκέμβριος).]]

''Luciana Rossato, Luciana Rossato, Regina C. S. Alvala, Regina C. S. Alvala, Nelson Jesus Ferreira, Nelson Jesus Ferreira, Javier Tomasella, Javier Tomasella, } "Evapotranspiration estimation in the Brazil using NDVI data", Proc. SPIE 5976, Remote Sensing for Agriculture, Ecosystems, and Hydrology VII, 59761G (19 October 2005); doi: 10.1117/12.626793; https://doi.org/10.1117/12.626793''

[[https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/5976/1/Evapotranspiration-estimation-in-the-Brazil-using-NDVI-data/10.1117/12.626793.short?SSO=1 Πηγή]]

== Περίληψη ==

Ο σκοπός αυτής της έρευνας είναι η ανάλυση της μηνιαίας μέσης χωρικής και χρονικής διακύμανσης της εξατμισοδιαπνοης (ΕΤ) για την περίοδο 1981 – 2000 στην Βραζιλία με την χρήση δεδομένων τηλεπισκόπησης. Μεθοδολογικά, αναπτύχθηκε και εφαρμόσθηκε μια συσχέτιση μεταξύ της εξατμισοδιαπνοής (ΕΤ) και του δείκτη NDVI. H ΕΤ εκτιμήθηκε για τους κύριους τύπους βιομάζας της Βραζιλίας, βάσει της μεθόδου Penman – Monteith και με την χρήση δεδομένων 194 μετεωρολογικών σταθμών της χώρας, για την περίοδο 1961 – 1990. Τα δεδομένα NDVI για την περίοδο Ιούλιος 1981 – Ιούλιος 2000 λήφθηκαν από τον αισθητήρα AVHRR ( Advanced Very High Resolution Radiometer) του δορυφόρου NOAA. Η μέσες ετήσιες τιμές των χρονοσειρών των μεταβλητών NDVI και ΕΤ παρουσιάζουν υψηλή συσχέτιση κατά τύπο βλάστησης. Επίσης, εκτιμήθηκε η μέση μηνιαία τιμή της ΕΤ σε όλη την επικράτεια της Βραζιλίας, βάσει των δεδομένων NDVI. Ο βαθμός στον οποίο καθορίστηκε ικανοποιητικά ο ετήσιος κύκλος της ΕΤ με την εφαρμογή του δείκτη NDVI διαφέρει μεταξύ των γεωγραφικών περιοχών, συνολικά, όμως, παρουσιάζει ικανοποιητική απόδοση για περιοχές που κλιματικά χαρακτηρίζονται από υγρές και ξηρές περιόδους. Η μελέτη υποδεικνύει ότι η ο δείκτης NDVI είναι μια σημαντική μεταβλητή για την έμμεση παρακολούθηση της ΕΤ σε εκτενής περιοχές, και μάλιστα με πολλές προοπτικές σε γεωπονικές και κλιματικές εφαρμογές.

== Εισαγωγή ==

Η εξατμισοδιαπνοή (ΕΤ) είναι ο κύριος μηχανισμός μεταφοράς στο συνεχές έδαφος – φυτό – ατμόσφαιρας. Διαφορετικές μέθοδοι ακολουθούνται για την εκτίμηση ή την μέτρηση της, μεταξύ των οποίων και εφαρμογές τηλεπισκόπησης. Για παράδειγμα, δεδομένα από αισθητήρες σε θερμικά υπέρυθρα φασματικά κανάλια έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως στην εκτίμηση της ΕΤ για τον χαρακτηρισμό του υδρολογικού κύκλου και της επίδρασης στην βλάστηση σε καθορισμένες περιοχές. Οι μέθοδοι παρέχουν ακριβείς εκτιμήσεις χάριν στην διαθεσιμότητα δεδομένων χωρικά κατανεμημένων, αφού η χωρική και χρονική διακριτική ικανότητα είναι μεγάλη, ειδικά στην περίπτωση των δορυφόρων Landsat και ΝΟΑΑ.
Η κατανομή της ΕΤ σε εκτενής περιοχές μπορεί να εκτιμηθεί βάσει του δείκτη NDVI με την χρήση δεδομένων από το ορατό και το εγγύς υπέρυθρο από τους δορυφόρους Landsat και ΝΟΑΑ/AVHHR. Πολλές έρευνες έχουν επισημάνει τα πλεονεκτήματα των δεικτών βλάστησης στην εκτίμηση της ΕΤ, καθώς τα θερμοκρασιακά δεδομένα από δορυφορικούς αισθητήρες ενσωματώνουν την επίδραση της τοπογραφίας, των επιφανειακών υδάτων και του ανέμου που άμεσα ή έμμεσα μεταβάλλουν την ροή της ΕΤ. Μελέτες περίπτωσης έχουν δείξει αξιόλογη συσχέτιση μεταξύ του NDVI και της ΕΤ.

== Μεθοδολογία ==

'''''Εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής από κλιματικά δεδομένα'''''

Η μέθοδος Penman – Monteith αποτελεί πρότυπο εκτίμησης της ΕΤ αναφοράς βάσει κλιματικών παραμέτρων, λαμβάνοντας υπ’ όψιν και την τοποθεσία. Με την μέθοδο αυτή εκτιμήθηκε η μέση μηναία τιμή της δυνητικής ΕΤ σε όλη την έκταση της Βραζιλίας, την περίοδο 1961 – 1990 για διαφορετικά είδη βιομάζας.
Σχέση μεταξύ ΕΤ και NDVI
Η σχέση μεταξύ των μεταβλητών NDVI και εξατμισοδιαπνοής στην παρούσα μελέτη εκτιμήθηκε από την ανάλυση γραμμικής συσχέτισης, με συσχέτιση ανά κατηγορίες κάλυψης βλάστησης.

== Δεδομένα ==

'''''Δεδομένα εξατμισοδιαπνοής'''''

Τα κλιματικά δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν για την εκτίμηση της ΕΤ με την μέθοδο Penmann – Monteith προέρχονται από 194 μετεωρολογικούς σταθμούς του Εθνικού Ινστιτούτου Μετεωρολογίας – INMET.
Η κατηγοριοποίηση της κάλυψης βλάστησης βασίζεται στον αισθητήρα AVHRR.

'''''Δεδομένα NDVI'''''

Τα δεδομένα NDVI παρήχθησαν από την GIMMS από το group της NASA/GSFS την περίοδο 1981 – 2000. Τα δεδομένα προέρχονται από τα κανάλια 1 και 2 του αισθητήρα AVHRR πάνω στον δορυφόρο NOAA (NOAA 7, 9, 11 και 14). Ο δείκτης NDVI υπολογίζεται ως ομαλοποιημένη διαφορά από την διορθωμένη ανάκλαση των καναλιών στο εγγύς υπέρυθρο (0.725 – 1.10 mm) και στο ορατό (0.58 – 0.68 mm) χρησιμοποιώντας δεδομένα AVHRR GAC (Global Area Coverage, διακριτικής ικανότητας 4 km). H μηναία απεικόνιση για περιοχές της Νοτίου Αμερικής διαθέτει χωρική διακριτική ικανότητα 8 km.

== Αποτελέσματα ==

Προέκυψε ένας σχετικά υψηλός συντελεστής συσχέτισης μεταξύ των μεταβλητών της ET και του δείκτη NDVI (R = 0.81), δείχνοντας μια σχεδόν γραμμική σχέση.
Σημαντική συσχέτιση μεταξύ των ετήσιων μέσων των παρατηρημένων τιμών NDVI και της μέσης ετήσιας ET βρέθηκε για κάθε τύπο κάλυψης βλάστησης στην Βραζιλία. Η διαδικασία αφορούσε τους ακόλουθους έξι διαφορετικούς τύπους βλάστησης: πλατύφυλλα – αειθαλή δένδρα (τροπικά δάση), πλατύφυλλα – φυλλοβόλα δέντρα, πλατύφυλλα με εδαφοκάλυψη (σαβάνα), μόνο εδαφοκάλυψη (πολυετής), πλατύφυλλοι θάμνοι με πολυετή εδαφοκάλυψη και καλλιέργιες (κατ’ αντιστοιχία της βιομάζας 1,2,6,7,8 και 12). Η περίπτωση της βιομάζας 8, που δεν ακολουθεί την συσχέτιση αποδίδεται στο ότι ο τύπος βλάστησης δεν είναι αντιπροσωπευτικός των επιλεγμένων περιοχών. Κατά τα άλλα, υπάρχει καλή συσχέτιση στις εκτιμώμενες τιμές ET και NDVI ( r= 0.81, n=193, Student T test με p<0.0001 για σημαντικότητα 5%), που συμβαδίζει και με άλλες παρατηρήσεις στην βιβλιογραφία.
Υιοθετείται η ακόλουθη γραμμική σχέση: ΕΤ = - 0.24898+0.00874NDVI όπου ET είναι σε mm/day και ο NDVI αδιάστατος και πολλαπλασιασμένος επί 1000
Η Εικόνα 3 δείχνει την χρονική και χωρική διασπορά της δυνητικής μέσης μηνιαίας ΕΤ, όπως προσδιορίσθηκε από την γραμμική συσχέτιση.
Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η τιμή της ΕΤ στην περιοχή του Αμαζονίου δεν είναι καλά καθορισμένη, γιατί οι υψηλότερες τιμές (5 -6 mm/day) σημειώνονται μετά την υγρή περίοδο. Αυτό το γεγονός αποδίδεται στην χαμηλή συσχέτιση για την βιομάζα 8 (πλατύφυλλοι θάμνοι με πολυετή εδαφοκάλυψη) και έχει παρατηρηθεί αντίστοιχα σε συσχέτιση του δείκτη NDVI με την βροχόπτωση. Για την Βόρεια Βραζιλία οι υψηλότερες τιμές λαμβάνουν χώρα κατά την υγρή περίοδο (μεταξύ Φεβρουαρίου και Μαΐου) και οι ελάχιστες μεταξύ Σεπτεμβρίου και Δεκεμβρίου. Ο ετήσιος κύκλος της ΕΤ είναι καλύτερα καθορισμένος στην κεντρική περιοχή, με τις υψηλότερες τιμές ΕΤ την περίοδο Ιανουαρίου – Μαΐου και τις χαμηλότερες τον Σεπτέμβριο. Στην νοτιοανατολική Βραζιλία, παρατηρείται μια μείωση των τιμών της εξατμισοδιαπνοής μεταξύ Ιουνίου και Σεπτεμβρίου (περιόδος χαμηλών τιμών NDVI εξαιτίας της ξηρής περιόδου). Στην νότια Βραζιλία παρατηρείται ότι ο μέσος ρυθμός εξατμισοδιαπνοής δεν έχει μεγάλες αλλαγές, οι εκτιμώμενες τιμές είναι 3 – 6 mm/day. Η περιοχή χαρακτηρίζεται από υψηλούς δείκτες εξάτμισης καθ’ όλη την διάρκεια του χρόνου. Ο ρυθμός ΕΤ είναι διακριτός σε μεγάλες περιοχές, εξαιτίας γεωγραφικών χαρακτηριστικών και μετεωρολογικών συστημάτων, όπως αναλύονται στην μελέτη.
Γενικά παρατηρείται ότι η εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής μέσω δεδομένων NDVI παρουσιάζει έναν καλά καθορισμένο ετήσιο κύκλο για περιοχές που χαρακτηρίζονται από υγρές και ξηρές περιόδους. Σε μελέτη εκτίμησης της μεταβλητότητας του NDVI μέσω ανάλυσης δεσμών, πολλοί τύποι φυτοκάλυψης σε περιοχές με καλά καθορισμένες υγρές και ξηρές περιόδους παρουσίασαν ανάλογη και ταχεία απόκριση σε επεισόδεια βροχόπτωσης. Άλλωστε, παρατηρήθηκε ότι η διακύμανση του δείκτη NDVI για πυκνότερη βλάστηση παρουσιάζει σημαντικές αλλαγές στην κλιματική μεταβολή, και ειδικότερα θεωρείται ότι η παρουσία του φαινομένου El Nino την περίοδο 1981 – 2000 μπορεί να εξηγήσει το παρατηρούμενο μοτίβο του ετήσιου κύκλου της ΕΤ στην περιοχή του Αμαζονίου.

== Συμπεράσματα ==

Η μηνιαία μέση τιμή της ΕΤ για όλη την επικράτεια της Βραζιλίας εκτιμήθηκε με την χρήση τηλεπισκοπικών δεδομένων, με εφαρμογή γραμμικής συσχέτισης μεταξύ δεδομένων ΕΤ και NDVI/AVHRR. Τα δεδομένα είναι καλά συσχετισμένα για διαφορετικούς τύπους βιομάζας, παρά τις διαφορετικές χωρικές και χρονικές διακριτικές ικανότητες τους. Η συσχέτιση μπορεί να βελτιωθεί με την χρήση τηλεπισκοπικών δεδομένων επιφανειακής θερμοκρασία και λεπτομερέστερη θεώρηση της φυτοκάλυψης.
Για την μέση μηνιαία διακύμανση της ΕΤ, αυτή συνδέεται με τον τύπο της βλάστησης της περιοχής, με εμφανής υγρές και ξηρές περιόδους. Παρόλα αυτά, επισημαίνεται ότι σε μελέτες μικροκλίματος, η συσχέτιση πρέπει να εξεταστεί προσεκτικά και με μεγαλύτερη χωρική και χρονική διακριτότητα.

[[category:Χαρτογράφηση υδροκριτών, υδρολογικών λεκανών, μορφολογικών χαρακτηριστικών του αναγλύφου και υδρογραφικού δικτύου]]
[[category:Χαρτογράφηση βλάστησης λεκάνων απορροής / μοντελοποίηση παραγωγής νερού]]

Αρχείο:Pipinimpetndviimage04.png

2019-01-31T22:07:39Z

Pmagdaleneio: Μηνιαίοι μέσοι της δυνητικής εξατμισοδιαπνοής στην Βραζιλία για την περίοδο 1981 – 2000, όπως υπολογίσθηκαν βάσει του δείκτη NDVI (Ιούλιος – Δεκ

Μηνιαίοι μέσοι της δυνητικής εξατμισοδιαπνοής στην Βραζιλία για την περίοδο 1981 – 2000, όπως υπολογίσθηκαν βάσει του δείκτη NDVI (Ιούλιος – Δεκέμβριος).

Αρχείο:Pipinimpetndviimage03.png

2019-01-31T22:07:02Z

Pmagdaleneio: Μηνιαίοι μέσοι της δυνητικής εξατμισοδιαπνοής στην Βραζιλία για την περίοδο 1981 – 2000, όπως υπολογίσθηκαν βάσει του δείκτη NDVI (Ιανουάριος –

Μηνιαίοι μέσοι της δυνητικής εξατμισοδιαπνοής στην Βραζιλία για την περίοδο 1981 – 2000, όπως υπολογίσθηκαν βάσει του δείκτη NDVI (Ιανουάριος – Ιούνιος).

Αρχείο:Pipinimpetndviimage02.png

2019-01-31T22:06:39Z

Pmagdaleneio: Ετήσιοι μέσοι της εξατμισοδιαπνοής (ΕΤP) και του δείκτη NDVI για διαφορετικούς τύπους βιομάζας στην Βραζιλία.

Ετήσιοι μέσοι της εξατμισοδιαπνοής (ΕΤP) και του δείκτη NDVI για διαφορετικούς τύπους βιομάζας στην Βραζιλία.

Αρχείο:Pipinimpetndviimage01.png

2019-01-31T22:06:12Z

Pmagdaleneio: Χαρτογράφηση της βλάστησης με μοντελοποίηση SSiB (χωρική διακριτική ικανότητα:0.25º x 0.25º).

Χαρτογράφηση της βλάστησης με μοντελοποίηση SSiB (χωρική διακριτική ικανότητα:0.25º x 0.25º).

Εκτίμηση εξατμισοδιαπνοής στην Βραζιλία με την χρήση NDVI δεδομένων

2019-01-31T22:01:46Z

Pmagdaleneio:

[[Εικόνα:pipinimpetndviimage01.jpg|thumb|right|Εικόνα 1 Χαρτογράφηση της βλάστησης με μοντελοποίηση SSiB (χωρική διακριτική ικανότητα:0.25º x 0.25º).]]

[[Εικόνα:pipinimpetndviimage02.jpg|thumb|right|Εικόνα 2 Ετήσιοι μέσοι της εξατμισοδιαπνοής (ΕΤP) και του δείκτη NDVI για διαφορετικούς τύπους βιομάζας στην Βραζιλία.]]

[[Εικόνα:pipinimpetndviimage03.jpg|thumb|right| Εικόνα 3 Μηνιαίοι μέσοι της δυνητικής εξατμισοδιαπνοής στην Βραζιλία για την περίοδο 1981 – 2000, όπως υπολογίσθηκαν βάσει του δείκτη NDVI (Ιανουάριος – Ιούνιος).]]

[[Εικόνα:pipinimpetndviimage04.jpg|thumb|right| Εικόνα 4 Μηνιαίοι μέσοι της δυνητικής εξατμισοδιαπνοής στην Βραζιλία για την περίοδο 1981 – 2000, όπως υπολογίσθηκαν βάσει του δείκτη NDVI (Ιούλιος – Δεκέμβριος).]]

''Luciana Rossato, Luciana Rossato, Regina C. S. Alvala, Regina C. S. Alvala, Nelson Jesus Ferreira, Nelson Jesus Ferreira, Javier Tomasella, Javier Tomasella, } "Evapotranspiration estimation in the Brazil using NDVI data", Proc. SPIE 5976, Remote Sensing for Agriculture, Ecosystems, and Hydrology VII, 59761G (19 October 2005); doi: 10.1117/12.626793; https://doi.org/10.1117/12.626793''

[[https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/5976/1/Evapotranspiration-estimation-in-the-Brazil-using-NDVI-data/10.1117/12.626793.short?SSO=1 Πηγή]]

== Περίληψη ==

Ο σκοπός αυτής της έρευνας είναι η ανάλυση της μηνιαίας μέσης χωρικής και χρονικής διακύμανσης της εξατμισοδιαπνοης (ΕΤ) για την περίοδο 1981 – 2000 στην Βραζιλία με την χρήση δεδομένων τηλεπισκόπησης. Μεθοδολογικά, αναπτύχθηκε και εφαρμόσθηκε μια συσχέτιση μεταξύ της εξατμισοδιαπνοής (ΕΤ) και του δείκτη NDVI. H ΕΤ εκτιμήθηκε για τους κύριους τύπους βιομάζας της Βραζιλίας, βάσει της μεθόδου Penman – Monteith και με την χρήση δεδομένων 194 μετεωρολογικών σταθμών της χώρας, για την περίοδο 1961 – 1990. Τα δεδομένα NDVI για την περίοδο Ιούλιος 1981 – Ιούλιος 2000 λήφθηκαν από τον αισθητήρα AVHRR ( Advanced Very High Resolution Radiometer) του δορυφόρου NOAA. Η μέσες ετήσιες τιμές των χρονοσειρών των μεταβλητών NDVI και ΕΤ παρουσιάζουν υψηλή συσχέτιση κατά τύπο βλάστησης. Επίσης, εκτιμήθηκε η μέση μηνιαία τιμή της ΕΤ σε όλη την επικράτεια της Βραζιλίας, βάσει των δεδομένων NDVI. Ο βαθμός στον οποίο καθορίστηκε ικανοποιητικά ο ετήσιος κύκλος της ΕΤ με την εφαρμογή του δείκτη NDVI διαφέρει μεταξύ των γεωγραφικών περιοχών, συνολικά, όμως, παρουσιάζει ικανοποιητική απόδοση για περιοχές που κλιματικά χαρακτηρίζονται από υγρές και ξηρές περιόδους. Η μελέτη υποδεικνύει ότι η ο δείκτης NDVI είναι μια σημαντική μεταβλητή για την έμμεση παρακολούθηση της ΕΤ σε εκτενής περιοχές, και μάλιστα με πολλές προοπτικές σε γεωπονικές και κλιματικές εφαρμογές.

== Εισαγωγή ==

Η εξατμισοδιαπνοή (ΕΤ) είναι ο κύριος μηχανισμός μεταφοράς στο συνεχές έδαφος – φυτό – ατμόσφαιρας. Διαφορετικές μέθοδοι ακολουθούνται για την εκτίμηση ή την μέτρηση της, μεταξύ των οποίων και εφαρμογές τηλεπισκόπησης. Για παράδειγμα, δεδομένα από αισθητήρες σε θερμικά υπέρυθρα φασματικά κανάλια έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως στην εκτίμηση της ΕΤ για τον χαρακτηρισμό του υδρολογικού κύκλου και της επίδρασης στην βλάστηση σε καθορισμένες περιοχές. Οι μέθοδοι παρέχουν ακριβείς εκτιμήσεις χάριν στην διαθεσιμότητα δεδομένων χωρικά κατανεμημένων, αφού η χωρική και χρονική διακριτική ικανότητα είναι μεγάλη, ειδικά στην περίπτωση των δορυφόρων Landsat και ΝΟΑΑ.
Η κατανομή της ΕΤ σε εκτενής περιοχές μπορεί να εκτιμηθεί βάσει του δείκτη NDVI με την χρήση δεδομένων από το ορατό και το εγγύς υπέρυθρο από τους δορυφόρους Landsat και ΝΟΑΑ/AVHHR. Πολλές έρευνες έχουν επισημάνει τα πλεονεκτήματα των δεικτών βλάστησης στην εκτίμηση της ΕΤ, καθώς τα θερμοκρασιακά δεδομένα από δορυφορικούς αισθητήρες ενσωματώνουν την επίδραση της τοπογραφίας, των επιφανειακών υδάτων και του ανέμου που άμεσα ή έμμεσα μεταβάλλουν την ροή της ΕΤ. Μελέτες περίπτωσης έχουν δείξει αξιόλογη συσχέτιση μεταξύ του NDVI και της ΕΤ.

== Μεθοδολογία ==

'''''Εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής από κλιματικά δεδομένα'''''

Η μέθοδος Penman – Monteith αποτελεί πρότυπο εκτίμησης της ΕΤ αναφοράς βάσει κλιματικών παραμέτρων, λαμβάνοντας υπ’ όψιν και την τοποθεσία. Με την μέθοδο αυτή εκτιμήθηκε η μέση μηναία τιμή της δυνητικής ΕΤ σε όλη την έκταση της Βραζιλίας, την περίοδο 1961 – 1990 για διαφορετικά είδη βιομάζας.
Σχέση μεταξύ ΕΤ και NDVI
Η σχέση μεταξύ των μεταβλητών NDVI και εξατμισοδιαπνοής στην παρούσα μελέτη εκτιμήθηκε από την ανάλυση γραμμικής συσχέτισης, με συσχέτιση ανά κατηγορίες κάλυψης βλάστησης.

== Δεδομένα ==

'''''Δεδομένα εξατμισοδιαπνοής'''''

Τα κλιματικά δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν για την εκτίμηση της ΕΤ με την μέθοδο Penmann – Monteith προέρχονται από 194 μετεωρολογικούς σταθμούς του Εθνικού Ινστιτούτου Μετεωρολογίας – INMET.
Η κατηγοριοποίηση της κάλυψης βλάστησης βασίζεται στον αισθητήρα AVHRR.

'''''Δεδομένα NDVI'''''

Τα δεδομένα NDVI παρήχθησαν από την GIMMS από το group της NASA/GSFS την περίοδο 1981 – 2000. Τα δεδομένα προέρχονται από τα κανάλια 1 και 2 του αισθητήρα AVHRR πάνω στον δορυφόρο NOAA (NOAA 7, 9, 11 και 14). Ο δείκτης NDVI υπολογίζεται ως ομαλοποιημένη διαφορά από την διορθωμένη ανάκλαση των καναλιών στο εγγύς υπέρυθρο (0.725 – 1.10 mm) και στο ορατό (0.58 – 0.68 mm) χρησιμοποιώντας δεδομένα AVHRR GAC (Global Area Coverage, διακριτικής ικανότητας 4 km). H μηναία απεικόνιση για περιοχές της Νοτίου Αμερικής διαθέτει χωρική διακριτική ικανότητα 8 km.

== Αποτελέσματα ==

Προέκυψε ένας σχετικά υψηλός συντελεστής συσχέτισης μεταξύ των μεταβλητών της ET και του δείκτη NDVI (R = 0.81), δείχνοντας μια σχεδόν γραμμική σχέση.
Σημαντική συσχέτιση μεταξύ των ετήσιων μέσων των παρατηρημένων τιμών NDVI και της μέσης ετήσιας ET βρέθηκε για κάθε τύπο κάλυψης βλάστησης στην Βραζιλία. Η διαδικασία αφορούσε τους ακόλουθους έξι διαφορετικούς τύπους βλάστησης: πλατύφυλλα – αειθαλή δένδρα (τροπικά δάση), πλατύφυλλα – φυλλοβόλα δέντρα, πλατύφυλλα με εδαφοκάλυψη (σαβάνα), μόνο εδαφοκάλυψη (πολυετής), πλατύφυλλοι θάμνοι με πολυετή εδαφοκάλυψη και καλλιέργιες (κατ’ αντιστοιχία της βιομάζας 1,2,6,7,8 και 12). Η περίπτωση της βιομάζας 8, που δεν ακολουθεί την συσχέτιση αποδίδεται στο ότι ο τύπος βλάστησης δεν είναι αντιπροσωπευτικός των επιλεγμένων περιοχών. Κατά τα άλλα, υπάρχει καλή συσχέτιση στις εκτιμώμενες τιμές ET και NDVI ( r= 0.81, n=193, Student T test με p<0.0001 για σημαντικότητα 5%), που συμβαδίζει και με άλλες παρατηρήσεις στην βιβλιογραφία.
Υιοθετείται η ακόλουθη γραμμική σχέση: ΕΤ = - 0.24898+0.00874NDVI όπου ET είναι σε mm/day και ο NDVI αδιάστατος και πολλαπλασιασμένος επί 1000
Η Εικόνα 3 δείχνει την χρονική και χωρική διασπορά της δυνητικής μέσης μηνιαίας ΕΤ, όπως προσδιορίσθηκε από την γραμμική συσχέτιση.
Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η τιμή της ΕΤ στην περιοχή του Αμαζονίου δεν είναι καλά καθορισμένη, γιατί οι υψηλότερες τιμές (5 -6 mm/day) σημειώνονται μετά την υγρή περίοδο. Αυτό το γεγονός αποδίδεται στην χαμηλή συσχέτιση για την βιομάζα 8 (πλατύφυλλοι θάμνοι με πολυετή εδαφοκάλυψη) και έχει παρατηρηθεί αντίστοιχα σε συσχέτιση του δείκτη NDVI με την βροχόπτωση. Για την Βόρεια Βραζιλία οι υψηλότερες τιμές λαμβάνουν χώρα κατά την υγρή περίοδο (μεταξύ Φεβρουαρίου και Μαΐου) και οι ελάχιστες μεταξύ Σεπτεμβρίου και Δεκεμβρίου. Ο ετήσιος κύκλος της ΕΤ είναι καλύτερα καθορισμένος στην κεντρική περιοχή, με τις υψηλότερες τιμές ΕΤ την περίοδο Ιανουαρίου – Μαΐου και τις χαμηλότερες τον Σεπτέμβριο. Στην νοτιοανατολική Βραζιλία, παρατηρείται μια μείωση των τιμών της εξατμισοδιαπνοής μεταξύ Ιουνίου και Σεπτεμβρίου (περιόδος χαμηλών τιμών NDVI εξαιτίας της ξηρής περιόδου). Στην νότια Βραζιλία παρατηρείται ότι ο μέσος ρυθμός εξατμισοδιαπνοής δεν έχει μεγάλες αλλαγές, οι εκτιμώμενες τιμές είναι 3 – 6 mm/day. Η περιοχή χαρακτηρίζεται από υψηλούς δείκτες εξάτμισης καθ’ όλη την διάρκεια του χρόνου. Ο ρυθμός ΕΤ είναι διακριτός σε μεγάλες περιοχές, εξαιτίας γεωγραφικών χαρακτηριστικών και μετεωρολογικών συστημάτων, όπως αναλύονται στην μελέτη.
Γενικά παρατηρείται ότι η εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής μέσω δεδομένων NDVI παρουσιάζει έναν καλά καθορισμένο ετήσιο κύκλο για περιοχές που χαρακτηρίζονται από υγρές και ξηρές περιόδους. Σε μελέτη εκτίμησης της μεταβλητότητας του NDVI μέσω ανάλυσης δεσμών, πολλοί τύποι φυτοκάλυψης σε περιοχές με καλά καθορισμένες υγρές και ξηρές περιόδους παρουσίασαν ανάλογη και ταχεία απόκριση σε επεισόδεια βροχόπτωσης. Άλλωστε, παρατηρήθηκε ότι η διακύμανση του δείκτη NDVI για πυκνότερη βλάστηση παρουσιάζει σημαντικές αλλαγές στην κλιματική μεταβολή, και ειδικότερα θεωρείται ότι η παρουσία του φαινομένου El Nino την περίοδο 1981 – 2000 μπορεί να εξηγήσει το παρατηρούμενο μοτίβο του ετήσιου κύκλου της ΕΤ στην περιοχή του Αμαζονίου.

== Συμπεράσματα ==

Η μηνιαία μέση τιμή της ΕΤ για όλη την επικράτεια της Βραζιλίας εκτιμήθηκε με την χρήση τηλεπισκοπικών δεδομένων, με εφαρμογή γραμμικής συσχέτισης μεταξύ δεδομένων ΕΤ και NDVI/AVHRR. Τα δεδομένα είναι καλά συσχετισμένα για διαφορετικούς τύπους βιομάζας, παρά τις διαφορετικές χωρικές και χρονικές διακριτικές ικανότητες τους. Η συσχέτιση μπορεί να βελτιωθεί με την χρήση τηλεπισκοπικών δεδομένων επιφανειακής θερμοκρασία και λεπτομερέστερη θεώρηση της φυτοκάλυψης.
Για την μέση μηνιαία διακύμανση της ΕΤ, αυτή συνδέεται με τον τύπο της βλάστησης της περιοχής, με εμφανής υγρές και ξηρές περιόδους. Παρόλα αυτά, επισημαίνεται ότι σε μελέτες μικροκλίματος, η συσχέτιση πρέπει να εξεταστεί προσεκτικά και με μεγαλύτερη χωρική και χρονική διακριτότητα.

[[category:Χαρτογράφηση υδροκριτών, υδρολογικών λεκανών, μορφολογικών χαρακτηριστικών του αναγλύφου και υδρογραφικού δικτύου]]
[[category:Χαρτογράφηση βλάστησης λεκάνων απορροής / μοντελοποίηση παραγωγής νερού]]

Εκτίμηση εξατμισοδιαπνοής στην Βραζιλία με την χρήση NDVI δεδομένων

2019-01-31T22:00:55Z

Pmagdaleneio: Νέα σελίδα με '[[Εικόνα:pipinimpetndviimage01.jpg|thumb|right|Εικόνα 1 Χαρτογράφηση της βλάστησης με μοντελοποίηση SSiB (χωρική ...'

[[Εικόνα:pipinimpetndviimage01.jpg|thumb|right|Εικόνα 1 Χαρτογράφηση της βλάστησης με μοντελοποίηση SSiB (χωρική διακριτική ικανότητα:0.25º x 0.25º).]]

[[Εικόνα:pipinimpetndviimage02.jpg|thumb|right|Εικόνα 2 Ετήσιοι μέσοι της εξατμισοδιαπνοής (ΕΤP) και του δείκτη NDVI για διαφορετικούς τύπους βιομάζας στην Βραζιλία.]]

[[Εικόνα:pipinimpetndviimage03.jpg|thumb|right| Εικόνα 3 Μηνιαίοι μέσοι της δυνητικής εξατμισοδιαπνοής στην Βραζιλία για την περίοδο 1981 – 2000, όπως υπολογίσθηκαν βάσει του δείκτη NDVI (Ιανουάριος – Ιούνιος).]]

[[Εικόνα:pipinimpetndviimage04.jpg|thumb|right| Εικόνα 4 Μηνιαίοι μέσοι της δυνητικής εξατμισοδιαπνοής στην Βραζιλία για την περίοδο 1981 – 2000, όπως υπολογίσθηκαν βάσει του δείκτη NDVI (Ιούλιος – Δεκέμβριος).]]

''Luciana Rossato, Luciana Rossato, Regina C. S. Alvala, Regina C. S. Alvala, Nelson Jesus Ferreira, Nelson Jesus Ferreira, Javier Tomasella, Javier Tomasella, } "Evapotranspiration estimation in the Brazil using NDVI data", Proc. SPIE 5976, Remote Sensing for Agriculture, Ecosystems, and Hydrology VII, 59761G (19 October 2005); doi: 10.1117/12.626793; https://doi.org/10.1117/12.626793''

[[https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/5976/1/Evapotranspiration-estimation-in-the-Brazil-using-NDVI-data/10.1117/12.626793.short?SSO=1 Πηγή]]

== Περίληψη ==

Ο σκοπός αυτής της έρευνας είναι η ανάλυση της μηνιαίας μέσης χωρικής και χρονικής διακύμανσης της εξατμισοδιαπνοης (ΕΤ) για την περίοδο 1981 – 2000 στην Βραζιλία με την χρήση δεδομένων τηλεπισκόπησης. Μεθοδολογικά, αναπτύχθηκε και εφαρμόσθηκε μια συσχέτιση μεταξύ της εξατμισοδιαπνοής (ΕΤ) και του δείκτη NDVI. H ΕΤ εκτιμήθηκε για τους κύριους τύπους βιομάζας της Βραζιλίας, βάσει της μεθόδου Penman – Monteith και με την χρήση δεδομένων 194 μετεωρολογικών σταθμών της χώρας, για την περίοδο 1961 – 1990. Τα δεδομένα NDVI για την περίοδο Ιούλιος 1981 – Ιούλιος 2000 λήφθηκαν από τον αισθητήρα AVHRR ( Advanced Very High Resolution Radiometer) του δορυφόρου NOAA. Η μέσες ετήσιες τιμές των χρονοσειρών των μεταβλητών NDVI και ΕΤ παρουσιάζουν υψηλή συσχέτιση κατά τύπο βλάστησης. Επίσης, εκτιμήθηκε η μέση μηνιαία τιμή της ΕΤ σε όλη την επικράτεια της Βραζιλίας, βάσει των δεδομένων NDVI. Ο βαθμός στον οποίο καθορίστηκε ικανοποιητικά ο ετήσιος κύκλος της ΕΤ με την εφαρμογή του δείκτη NDVI διαφέρει μεταξύ των γεωγραφικών περιοχών, συνολικά, όμως, παρουσιάζει ικανοποιητική απόδοση για περιοχές που κλιματικά χαρακτηρίζονται από υγρές και ξηρές περιόδους. Η μελέτη υποδεικνύει ότι η ο δείκτης NDVI είναι μια σημαντική μεταβλητή για την έμμεση παρακολούθηση της ΕΤ σε εκτενής περιοχές, και μάλιστα με πολλές προοπτικές σε γεωπονικές και κλιματικές εφαρμογές.

== Εισαγωγή ==

Η εξατμισοδιαπνοή (ΕΤ) είναι ο κύριος μηχανισμός μεταφοράς στο συνεχές έδαφος – φυτό – ατμόσφαιρας. Διαφορετικές μέθοδοι ακολουθούνται για την εκτίμηση ή την μέτρηση της, μεταξύ των οποίων και εφαρμογές τηλεπισκόπησης. Για παράδειγμα, δεδομένα από αισθητήρες σε θερμικά υπέρυθρα φασματικά κανάλια έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως στην εκτίμηση της ΕΤ για τον χαρακτηρισμό του υδρολογικού κύκλου και της επίδρασης στην βλάστηση σε καθορισμένες περιοχές. Οι μέθοδοι παρέχουν ακριβείς εκτιμήσεις χάριν στην διαθεσιμότητα δεδομένων χωρικά κατανεμημένων, αφού η χωρική και χρονική διακριτική ικανότητα είναι μεγάλη, ειδικά στην περίπτωση των δορυφόρων Landsat και ΝΟΑΑ.
Η κατανομή της ΕΤ σε εκτενής περιοχές μπορεί να εκτιμηθεί βάσει του δείκτη NDVI με την χρήση δεδομένων από το ορατό και το εγγύς υπέρυθρο από τους δορυφόρους Landsat και ΝΟΑΑ/AVHHR. Πολλές έρευνες έχουν επισημάνει τα πλεονεκτήματα των δεικτών βλάστησης στην εκτίμηση της ΕΤ, καθώς τα θερμοκρασιακά δεδομένα από δορυφορικούς αισθητήρες ενσωματώνουν την επίδραση της τοπογραφίας, των επιφανειακών υδάτων και του ανέμου που άμεσα ή έμμεσα μεταβάλλουν την ροή της ΕΤ. Μελέτες περίπτωσης έχουν δείξει αξιόλογη συσχέτιση μεταξύ του NDVI και της ΕΤ.

== Μεθοδολογία ==

'''''Εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής από κλιματικά δεδομένα'''''
Η μέθοδος Penman – Monteith αποτελεί πρότυπο εκτίμησης της ΕΤ αναφοράς βάσει κλιματικών παραμέτρων, λαμβάνοντας υπ’ όψιν και την τοποθεσία. Με την μέθοδο αυτή εκτιμήθηκε η μέση μηναία τιμή της δυνητικής ΕΤ σε όλη την έκταση της Βραζιλίας, την περίοδο 1961 – 1990 για διαφορετικά είδη βιομάζας.
Σχέση μεταξύ ΕΤ και NDVI
Η σχέση μεταξύ των μεταβλητών NDVI και εξατμισοδιαπνοής στην παρούσα μελέτη εκτιμήθηκε από την ανάλυση γραμμικής συσχέτισης, με συσχέτιση ανά κατηγορίες κάλυψης βλάστησης.

== Δεδομένα ==

'''''Δεδομένα εξατμισοδιαπνοής'''''
Τα κλιματικά δεδομένα που χρησιμοποιήθηκαν για την εκτίμηση της ΕΤ με την μέθοδο Penmann – Monteith προέρχονται από 194 μετεωρολογικούς σταθμούς του Εθνικού Ινστιτούτου Μετεωρολογίας – INMET.
Η κατηγοριοποίηση της κάλυψης βλάστησης βασίζεται στον αισθητήρα AVHRR.
'''''Δεδομένα NDVI'''''
Τα δεδομένα NDVI παρήχθησαν από την GIMMS από το group της NASA/GSFS την περίοδο 1981 – 2000. Τα δεδομένα προέρχονται από τα κανάλια 1 και 2 του αισθητήρα AVHRR πάνω στον δορυφόρο NOAA (NOAA 7, 9, 11 και 14). Ο δείκτης NDVI υπολογίζεται ως ομαλοποιημένη διαφορά από την διορθωμένη ανάκλαση των καναλιών στο εγγύς υπέρυθρο (0.725 – 1.10 mm) και στο ορατό (0.58 – 0.68 mm) χρησιμοποιώντας δεδομένα AVHRR GAC (Global Area Coverage, διακριτικής ικανότητας 4 km). H μηναία απεικόνιση για περιοχές της Νοτίου Αμερικής διαθέτει χωρική διακριτική ικανότητα 8 km.

== Αποτελέσματα ==

Προέκυψε ένας σχετικά υψηλός συντελεστής συσχέτισης μεταξύ των μεταβλητών της ET και του δείκτη NDVI (R = 0.81), δείχνοντας μια σχεδόν γραμμική σχέση.
Σημαντική συσχέτιση μεταξύ των ετήσιων μέσων των παρατηρημένων τιμών NDVI και της μέσης ετήσιας ET βρέθηκε για κάθε τύπο κάλυψης βλάστησης στην Βραζιλία. Η διαδικασία αφορούσε τους ακόλουθους έξι διαφορετικούς τύπους βλάστησης: πλατύφυλλα – αειθαλή δένδρα (τροπικά δάση), πλατύφυλλα – φυλλοβόλα δέντρα, πλατύφυλλα με εδαφοκάλυψη (σαβάνα), μόνο εδαφοκάλυψη (πολυετής), πλατύφυλλοι θάμνοι με πολυετή εδαφοκάλυψη και καλλιέργιες (κατ’ αντιστοιχία της βιομάζας 1,2,6,7,8 και 12). Η περίπτωση της βιομάζας 8, που δεν ακολουθεί την συσχέτιση αποδίδεται στο ότι ο τύπος βλάστησης δεν είναι αντιπροσωπευτικός των επιλεγμένων περιοχών. Κατά τα άλλα, υπάρχει καλή συσχέτιση στις εκτιμώμενες τιμές ET και NDVI ( r= 0.81, n=193, Student T test με p<0.0001 για σημαντικότητα 5%), που συμβαδίζει και με άλλες παρατηρήσεις στην βιβλιογραφία.
Υιοθετείται η ακόλουθη γραμμική σχέση: ΕΤ = - 0.24898+0.00874NDVI όπου ET είναι σε mm/day και ο NDVI αδιάστατος και πολλαπλασιασμένος επί 1000
Η Εικόνα 3 δείχνει την χρονική και χωρική διασπορά της δυνητικής μέσης μηνιαίας ΕΤ, όπως προσδιορίσθηκε από την γραμμική συσχέτιση.
Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η τιμή της ΕΤ στην περιοχή του Αμαζονίου δεν είναι καλά καθορισμένη, γιατί οι υψηλότερες τιμές (5 -6 mm/day) σημειώνονται μετά την υγρή περίοδο. Αυτό το γεγονός αποδίδεται στην χαμηλή συσχέτιση για την βιομάζα 8 (πλατύφυλλοι θάμνοι με πολυετή εδαφοκάλυψη) και έχει παρατηρηθεί αντίστοιχα σε συσχέτιση του δείκτη NDVI με την βροχόπτωση. Για την Βόρεια Βραζιλία οι υψηλότερες τιμές λαμβάνουν χώρα κατά την υγρή περίοδο (μεταξύ Φεβρουαρίου και Μαΐου) και οι ελάχιστες μεταξύ Σεπτεμβρίου και Δεκεμβρίου. Ο ετήσιος κύκλος της ΕΤ είναι καλύτερα καθορισμένος στην κεντρική περιοχή, με τις υψηλότερες τιμές ΕΤ την περίοδο Ιανουαρίου – Μαΐου και τις χαμηλότερες τον Σεπτέμβριο. Στην νοτιοανατολική Βραζιλία, παρατηρείται μια μείωση των τιμών της εξατμισοδιαπνοής μεταξύ Ιουνίου και Σεπτεμβρίου (περιόδος χαμηλών τιμών NDVI εξαιτίας της ξηρής περιόδου). Στην νότια Βραζιλία παρατηρείται ότι ο μέσος ρυθμός εξατμισοδιαπνοής δεν έχει μεγάλες αλλαγές, οι εκτιμώμενες τιμές είναι 3 – 6 mm/day. Η περιοχή χαρακτηρίζεται από υψηλούς δείκτες εξάτμισης καθ’ όλη την διάρκεια του χρόνου. Ο ρυθμός ΕΤ είναι διακριτός σε μεγάλες περιοχές, εξαιτίας γεωγραφικών χαρακτηριστικών και μετεωρολογικών συστημάτων, όπως αναλύονται στην μελέτη.
Γενικά παρατηρείται ότι η εκτίμηση της εξατμισοδιαπνοής μέσω δεδομένων NDVI παρουσιάζει έναν καλά καθορισμένο ετήσιο κύκλο για περιοχές που χαρακτηρίζονται από υγρές και ξηρές περιόδους. Σε μελέτη εκτίμησης της μεταβλητότητας του NDVI μέσω ανάλυσης δεσμών, πολλοί τύποι φυτοκάλυψης σε περιοχές με καλά καθορισμένες υγρές και ξηρές περιόδους παρουσίασαν ανάλογη και ταχεία απόκριση σε επεισόδεια βροχόπτωσης. Άλλωστε, παρατηρήθηκε ότι η διακύμανση του δείκτη NDVI για πυκνότερη βλάστηση παρουσιάζει σημαντικές αλλαγές στην κλιματική μεταβολή, και ειδικότερα θεωρείται ότι η παρουσία του φαινομένου El Nino την περίοδο 1981 – 2000 μπορεί να εξηγήσει το παρατηρούμενο μοτίβο του ετήσιου κύκλου της ΕΤ στην περιοχή του Αμαζονίου.

== Συμπεράσματα ==

Η μηνιαία μέση τιμή της ΕΤ για όλη την επικράτεια της Βραζιλίας εκτιμήθηκε με την χρήση τηλεπισκοπικών δεδομένων, με εφαρμογή γραμμικής συσχέτισης μεταξύ δεδομένων ΕΤ και NDVI/AVHRR. Τα δεδομένα είναι καλά συσχετισμένα για διαφορετικούς τύπους βιομάζας, παρά τις διαφορετικές χωρικές και χρονικές διακριτικές ικανότητες τους. Η συσχέτιση μπορεί να βελτιωθεί με την χρήση τηλεπισκοπικών δεδομένων επιφανειακής θερμοκρασία και λεπτομερέστερη θεώρηση της φυτοκάλυψης.
Για την μέση μηνιαία διακύμανση της ΕΤ, αυτή συνδέεται με τον τύπο της βλάστησης της περιοχής, με εμφανής υγρές και ξηρές περιόδους. Παρόλα αυτά, επισημαίνεται ότι σε μελέτες μικροκλίματος, η συσχέτιση πρέπει να εξεταστεί προσεκτικά και με μεγαλύτερη χωρική και χρονική διακριτότητα.

[[category:Χαρτογράφηση υδροκριτών, υδρολογικών λεκανών, μορφολογικών χαρακτηριστικών του αναγλύφου και υδρογραφικού δικτύου]]
[[category:Χαρτογράφηση βλάστησης λεκάνων απορροής / μοντελοποίηση παραγωγής νερού]]

Πιπίνη Μαγδαληνή Ιώ

2019-01-31T21:31:28Z

Pmagdaleneio:

[[Παρατήρηση πετρελαιοκηλίδων σε θερμική απεικόνιση Landsat: Η περίπτωση Deepwater Horizon|'''Παρατήρηση πετρελαιοκηλίδων σε θερμική απεικόνιση Landsat: Η περίπτωση Deepwater Horizon''' (''>Χαρτογραφηση και παρακολούθηση πετρελαιοκηλίδων>Ωκεανοί και Ακτές>Διαχείριση Κινδύνων'')]]

[[Εντοπισμός βιοφωταυγούς γαλακτερής θάλασσας από το διάστημα|'''Εντοπισμός βιοφωταυγούς γαλακτερής θάλασσας από το διάστημα''' (''>Οικολογία'')]]

[[Τηλεπισκόπιση Πλημμυρών και Πλημμυρικά Ευαίσθητων Περιοχών: Μια Επισκόπηση|'''Τηλεπισκόπιση Πλημμυρών και Πλημμυρικά Ευαίσθητων Περιοχών: Μια Επισκόπηση''' (''>Εκτίμηση Καταστροφών πλημμυρών>Διαχείριση Κινδύνων'')]]

[[category:ΔΠΜΣ "Περιβάλλον & Ανάπτυξη" (Αθήνα) ]]

Παρατήρηση πετρελαιοκηλίδων σε θερμική απεικόνιση Landsat: Η περίπτωση Deepwater Horizon

2019-01-31T21:27:53Z

Pmagdaleneio:

[[Εικόνα:pipinimoilspillimage01.jpg|right|thumb|Εικόνα 1 Ψυχρό πλούμιο της διαρροής πετρελαίου, η διαρροή απεικονίζεται με κόκκινωπό χρώμα στο σύνθετο RGB: Band 7 - 4 -1. Η εικόνα προέρχεται από τον Landsat 7, ETM+ 01/05/2010 16:18 GMT.]]
[[Εικόνα:pipinimoilspillimage02.jpg|right|thumb|Εικόνα 2 Ψυχρό πλούμιο της διαρροής πετρελαίου, η διαρροή απεικονίζεται σκοτεινή στο θερμικό υπέρυθρο. Η εικόνα προέρχεται από τον Landsat 7, ETM+ 01/05/2010 16:18 GMT.]]
[[Εικόνα:pipinimoilspillimage03.jpg|right|thumb|Εικόνα 3 Θερμή πετρελαιοκηλίδα, απεικονίζεται με πράσινο χρώμα στο σύνθετο RGB: band 7 4 1. Η εικόνα προέρχεται από τον Landsat 7, ETM+ 22/05/2010 16:17 GMT.]]
[[Εικόνα:pipinimoilspillimage04.jpg|right|thumb| Εικόνα 4 Θερμή πετρελαιοκηλίδα, απεικονίζεται με φωτεινή στο θερμικό υπέρυθρο. Η εικόνα προέρχεται από τον Landsat 7, ETM+ 22/05/2010 16:17 GMT.]]
[[Εικόνα:pipinimoilspillimage05.jpg|right|thumb| Εικόνα 5 Συσχέτιση της φωτεινής θερμοκρασίας, TB, και της θερμοκρασίας της θαλάσσιας επιφάνειας του νερού και του πετρελάιου με την αλλάγη της θερμικής εκπομπής.]]

''Xing, Q., Li, L., Lou, M., Bing, L., Zhao, R., Li, Z., 2015. Observation of Oil Spills through Landsat Thermal Infrared Imagery: A Case of Deepwater Horizon. International Oil Spill Response Technical Seminar. Aquatic Propedia 3 (2015) 151 – 156.''

[[https://www.researchgate.net/publication/274645608_Observation_of_Oil_Spills_through_Landsat_Thermal_Infrared_Imagery_A_Case_of_Deepwater_Horizon Πηγή]]

== Περίληψη ==

Στις πετρελαιοκηλίδες που προκλήθηκαν από ατύχημα στον Κόλπο του Μεξικού το 2010, έγινε αντιληπτό ότι ψυχρά πλούμια από το αρχικό πετρέλαιο (που διέρρευσε), καλύπτουν μια εμφανή επιφάνεια με θερμοκρασία χαμηλότερη κατά 0,6 Κ από αυτήν της περιβάλλουσας θαλάσσιας επιφάνειας, και μακριά από την αρχική θέση διαρροής, η εμφανής θερμοκρασία της πετρελαιοκηλίδας βρέθηκε υψηλότερη από αυτή των περιβαλλόντων θαλάσσιων υδάτων κατά την μέγιστη θερμοκρασιακή διαφορά των 3.2Κ. Οι ψυχρές και οι θερμές λωρίδες πετρελαίου έχουν αμφότερες σχετικά πυκνό υμένιο (thick film), αλλά οι ψυχρές οφείλονται στην αρχική χαμηλή θερμοκρασία κατά την ανάβλυση από τα βαθέα ύδατα, ενώ οι θερμές προκαλούνται από ηλιακή θέρμανση. Τα παραπάνω συνιστούν ότι η θερμική υπέρυθρη απεικόνιση έχει την προοπτική να προσδιορίζει την θέση της διαρροής πετρελαιοκηλίδας αργού πετρελαίου ειδικά από τα βαθέα ύδατα και να αναγνωρίζει πυκνές συγκεντρώσεις πετρελαίου.

'''Κηλίδα αργού πετρελαίου | πλατφόρμα εξόρυξης πετρελαίου βαθέων υδάτων | θαλάσσια επιφανειακή θερμοκρασία | απεικόνιση στο θερμική υπέρυθρο | Landsat | Deepwater Horizon |Κόλπος του Μεξικού'''

== Εισαγωγή ==

Η τηλεπισκόπηση μπορεί να παρέχει πληροφορία για την θέση μιας πετρελαιοκηλίδας στον ωκεανό, τον ρυθμό και την διεύθυνση μεταφοράς του ρύπου, και η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως δεδομένο σε μοντέλα πρόβλεψης και να βοηθήσει στην οργάνωση του καθαρισμού και του ελέγχου.
Για την παρακολούθηση πετρελαιοκηλίδων στην θάλασσα γίνεται κυρίως χρήση τεχνικών τηλεανίχνευσης οπτικών ή με μικροκύματα. Οι οπτικές τεχνικές περιλαμβάνουν ενεργητικούς και παθητικούς δέκτες στο ορατό φάσμα (passive and active visible remote sensing), π.χ. οπτικές εικόνες LANDSAT, MODIS, και laser fluorescence, με περιορισμούς όμως λόγω ατμοσφαιρικών συνθηκών. Επίσης, υπάρχουν εφαρμογές SAR αισθητήρων, οι οποίες υπερβαίνουν το εμπόδιο της νέφωκάλυψης, όμως η δυνατότητα ανίχνευσης τους επηρεάζεται από την ταχύτητα του ανέμου στην επιφάνεια της θάλλασας – θάλασσα σε νηνεμία μπορεί να αποδωθεί ως πετρελαιοκηλίδα, ενώ σε υψλές ταχύτητες ανέμου πετρελαιοκηλίδες δεν μπορούν να εντοπισθούνε.
Οι πετρελαϊκές επιστρώσεις διαφοροποιούνται από τα θαλάσσια ύδατα στα θερμικά χαρακτηριστικά και απορρόφηση ενέργειας της ηλιακής ακτινοβολίας. Έτσι, η τηλεπισκοπικές τεχνικές στο θερμικό υπέρυθρο είναι σημαντικό εργαλείο αίχνευσης πετρελαιοκηλίδων ( και λόγω της δυνατότητας απεικόνισης την ημέρα και την νύχτα και υπό συνθήκες καταχνίας ή αραιής ομίχλης).

== Δεδομένα και μέθοδοι ==

Η περίπτωση μελέτης που εξετάζεται στο μελετώμενο άρθρο, αφορά το ατύχημα διαρροής πετρελαίου στις 20 Απριλίου 2010 στον κόλπο του Μεξικού. H διαρροή πηγάζει από γεώτρηση πετρελαίου στον θαλάσσιο πυθμένα σε βάθος νερού 1521,6 m και σε θέση που απέχει περισσότερα από 100 km από την κοντινότερη στεριά (BP Exploration and Production Inc., 2009). Τηλεπισκοπικά δεδομένα Landsat – 7 ETM+ και Landsat – 5 TM λήφθηκαν στις 10:18 am, τοπική ώρα, για την απεικόνιση της πετρελαιοκηλίδας.
Στην αναφορά, παρουσιάζεται η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε για τον προσδιορισμό της πραγματικής θερμοκρασίας του στόχου (real temperature of target), Τ, από τον ψηφιακό αριθμό (digital number), DN, και γίνεται παράθεση των σχέσεων μετατροπής, των μεταβλητών και των παραμέτρων που χρησιμοποιήθηκαν.
Οι τηλεπισκοπικοί δέκτες Landsat – 5 / TM και Landsat – 7 / ETM+ έχουν παρόμοια παραμετροποίηση στο θερμικό κανάλι. Το δέκτης ΕΤΜ+ (60 m) έχει καλύτερη χωρική διακριτική ικανότητα από τον ΤΜ (120 m) στην θερμική υπέρυθρη απεικόνιση και είναι πιο ευαίσθητος στην θερμική ακτινοβολία. Ο δορυφορικός δέκτης Landsat - 7 ETM+ διαθέτει δύο καταστάσεις λειτουργίας: το κανάλι 6L, B61 που παρέχει ένα εκτενές δυναμικό εύρος και χαμηλή ραδιομετρική διακριτική ικανότητα και ευαισθησία, με μικρότερο κορεσμό σε υψηλές τιμές των ψηφιακών αριθμών; το κανάλι 6Η, Β62 έχει υψηλότερη ραδιομετρική διακριτική ικανότητα και ευαισθησία, αν και έχει πιο περιορισμένο δυναμικό εύρος. Από το 2003, μια τεχνική δυσλειτουργία έχει οδηγήσει την απεικόνιση ΕΤΜ+, περιλαμβανομένης της θερμικής απεικόνισης να έχει μια σειρά από οριζόντιες λωρίδες, αλλά αυτό δεν επιδρά στην ραδιομετρική επίδοση.

== Αποτελέσματα και συζήτηση ==

H απεικόνιση δείχνει τόσο ψύχρα όσο και θερμά πλούμια κατά την διαρροή και την επίπλευση τους στην περίπτωση του Deepwater Horizon. Το πρωί της 1ης Μαΐου 2010, ψυχρά πλούμια πετρελαιοκηλίδας βρέθηκαν κοντά στην θέση της πλατφόρμας εξόρυξης, και η θερμοκρασία της κάλυψης πετρελαίου βρέθηκε κατά προσέγγιση 293.1 Κ, 0.6 Κ μικρότερη από την θερμοκρασία στην παρακείμενη θαλάσσια επιφάνεια (SST: Sea Surface Temperature). Αντίστοιχα, το πρωί της 25ης Μαΐου 2010, θερμότερα πλούμια πετρελαιοκηλίδας βρέθηκαν κοντά στην θέση της πλατφόρμας εξόρυξης, και η θερμοκρασία της κάλυψης πετρελαίου βρέθηκε κατά προσέγγιση 296.5 Κ, 3.2 Κ μεγαλύτερη από την θερμοκρασία στην παρακείμενη θαλάσσια επιφάνεια. Παρότι σφάλματα στην βαθμονόμηση μπορεί να υπεισέρχονται λόγω της πολύχρονης λειτουργίας, δεν θεωρούμε ότι αυτά έχουν σημαντική επίδραση στην αποκτημένη απεικόνιση της θαλάσσιας επιφανειακής θερμοκρασίας. Επισημαίνεται, συμπληρωματικά, ότι η πετρελαιοκηλίδα παρουσιάζεται θερμότερη κατά την ημέρα και ψυχρότερη κατά την νύχτα.
Παρότι η θερμοκρασία στον πυθμένα είναι πολύ χαμηλότερη από την θαλάσσια επιφανειακή θερμοκρασία (1.2 – 17.0 oC έναντι 28 – 36 οC στην περιοχή μελέτης) και καθόλη την άνοδο του πλουμίου υπάρχει ανταλαγή θερμότητας μεταξύ του νερού και του πετρελαίου, το πλούμιο διατηρέιται για κάποια διάρκεια ψυχρότερο από την περιβάλλουσα. Αν και η διαφορά των θερμοκρασιών είναι μικρή, η φωτεινή θερμοκρασία του πλουμίου είναι αισθητά μικρότερη (βλέπε ), λόγω της μειωμένης θερμικής εκπομπής (βλέπε Εικόνα....). Η εξάπλωση της πετρελαιοκηλίδας στην επιφάνεια, οδηγεί σε αύξηση της θερμικής ανταλαγγής πετρελαίου – νερού. Παράλληλα, το πάχος της πετρελαιοκηλίδας επιρεάζει την θερμική συπεριφορά της, καθώς π.χ. μεγαλύτερα πάχη μπορούν να συσσωρεύσουν περισσότερη ενέργεια ακτινοβολίας και να αποδόσουν μεγαλύτερες θερμοκρασίες.

== Συμπεράσματα ==

Στην περίπτωση μελέτης της διαρροής πετρελαιοκηλίδας του Deepwater Horizon, εντοπίστηκαν τηλεπισκοπίκά τόσο ψυχρές όσο και θερμές κηλίδες πετρελαίου, οι μεν στο σημείο της ανάβλυσης, οι δε σε απομακρυσμένο σημείο, έχοντας υποστεί ηλιακή θέρμανση. Αυτά τα αποτελέσματα καταδεικνύουν την σημασία της τηλεπισκόπικών τεχνικών στο θερμικό υπέρυθρο για τον προσδιορισμό της πηγής διαρροών αργού πετρελαίου στην περίπτωση βαθέων υδάτων και στων συγκεντρώσεων πετρελαιοκηλίδων.

[[category:Χαρτογράφηση και παρακολούθηση πετρελαιοκηλίδων]]

Αρχείο:Pipinimoilspillimage05.jpg

2019-01-31T21:26:59Z

Pmagdaleneio: Συσχέτιση της φωτεινής θερμοκρασίας, TB, και της θερμοκρασίας της θαλάσσιας επιφάνειας του νερού και του πετρελάιου με την αλλάγη της θερμι�

Συσχέτιση της φωτεινής θερμοκρασίας, TB, και της θερμοκρασίας της θαλάσσιας επιφάνειας του νερού και του πετρελάιου με την αλλάγη της θερμικής εκπομπής.

Αρχείο:Pipinimoilspillimage04.jpg

2019-01-31T21:25:24Z

Pmagdaleneio: Θερμή πετρελαιοκηλίδα, απεικονίζεται με φωτεινή στο θερμικό υπέρυθρο. Η εικόνα προέρχεται από τον Landsat 7, ETM+ 22/05/2010 16:17 GMT.

Θερμή πετρελαιοκηλίδα, απεικονίζεται με φωτεινή στο θερμικό υπέρυθρο. Η εικόνα προέρχεται από τον Landsat 7, ETM+ 22/05/2010 16:17 GMT.

Αρχείο:Pipinimoilspillimage03.jpg

2019-01-31T21:25:00Z

Pmagdaleneio: Θερμή πετρελαιοκηλίδα, απεικονίζεται με πράσινο χρώμα στο σύνθετο RGB: band 7 4 1. Η εικόνα προέρχεται από τον Landsat 7, ETM+ 22/05/2010 16:17 GMT.

Θερμή πετρελαιοκηλίδα, απεικονίζεται με πράσινο χρώμα στο σύνθετο RGB: band 7 4 1. Η εικόνα προέρχεται από τον Landsat 7, ETM+ 22/05/2010 16:17 GMT.

Αρχείο:Pipinimoilspillimage02.jpg

2019-01-31T21:24:36Z

Pmagdaleneio: Ψυχρό πλούμιο της διαρροής πετρελαίου, η διαρροή απεικονίζεται σκοτεινή στο θερμικό υπέρυθρο. Η εικόνα προέρχεται από τον Landsat 7, ETM+ 01/05/2010 16:

Ψυχρό πλούμιο της διαρροής πετρελαίου, η διαρροή απεικονίζεται σκοτεινή στο θερμικό υπέρυθρο. Η εικόνα προέρχεται από τον Landsat 7, ETM+ 01/05/2010 16:18 GMT.

Αρχείο:Pipinimoilspillimage01.jpg

2019-01-31T21:24:05Z

Pmagdaleneio: Ψυχρό πλούμιο της διαρροής πετρελαίου, η διαρροή απεικονίζεται με κόκκινωπό χρώμα στο σύνθετο RGB: Band 7 - 4 -1.

Ψυχρό πλούμιο της διαρροής πετρελαίου, η διαρροή απεικονίζεται με κόκκινωπό χρώμα στο σύνθετο RGB: Band 7 - 4 -1.

Παρατήρηση πετρελαιοκηλίδων σε θερμική απεικόνιση Landsat: Η περίπτωση Deepwater Horizon

2019-01-31T21:21:28Z

Pmagdaleneio:

[[Εικόνα:pipinimoilspillimage01|right|thumb|Εικόνα 1 Ψυχρό πλούμιο της διαρροής πετρελαίου, η διαρροή απεικονίζεται με κόκκινωπό χρώμα στο σύνθετο RGB: Band 7 - 4 -1. Η εικόνα προέρχεται από τον Landsat 7, ETM+ 01/05/2010 16:18 GMT.]]
[[Εικόνα:pipinimoilspillimage02|right|thumb|Εικόνα 2 Ψυχρό πλούμιο της διαρροής πετρελαίου, η διαρροή απεικονίζεται σκοτεινή στο θερμικό υπέρυθρο. Η εικόνα προέρχεται από τον Landsat 7, ETM+ 01/05/2010 16:18 GMT.]]
[[Εικόνα:pipinimoilspillimage03|right|thumb|Εικόνα 3 Θερμή πετρελαιοκηλίδα, απεικονίζεται με πράσινο χρώμα στο σύνθετο RGB: band 7 4 1. Η εικόνα προέρχεται από τον Landsat 7, ETM+ 22/05/2010 16:17 GMT.]]
[[Εικόνα:pipinimoilspillimage04|right|thumb| Εικόνα 4 Θερμή πετρελαιοκηλίδα, απεικονίζεται με φωτεινή στο θερμικό υπέρυθρο. Η εικόνα προέρχεται από τον Landsat 7, ETM+ 22/05/2010 16:17 GMT.]]
[[Εικόνα:pipinimoilspillimage05|right|thumb| Εικόνα 5 Συσχέτιση της φωτεινής θερμοκρασίας, TB, και της θερμοκρασίας της θαλάσσιας επιφάνειας του νερού και του πετρελάιου με την αλλάγη της θερμικής εκπομπής.]]

''Xing, Q., Li, L., Lou, M., Bing, L., Zhao, R., Li, Z., 2015. Observation of Oil Spills through Landsat Thermal Infrared Imagery: A Case of Deepwater Horizon. International Oil Spill Response Technical Seminar. Aquatic Propedia 3 (2015) 151 – 156.''

[[https://www.researchgate.net/publication/274645608_Observation_of_Oil_Spills_through_Landsat_Thermal_Infrared_Imagery_A_Case_of_Deepwater_Horizon Πηγή]]

== Περίληψη ==

Στις πετρελαιοκηλίδες που προκλήθηκαν από ατύχημα στον Κόλπο του Μεξικού το 2010, έγινε αντιληπτό ότι ψυχρά πλούμια από το αρχικό πετρέλαιο (που διέρρευσε), καλύπτουν μια εμφανή επιφάνεια με θερμοκρασία χαμηλότερη κατά 0,6 Κ από αυτήν της περιβάλλουσας θαλάσσιας επιφάνειας, και μακριά από την αρχική θέση διαρροής, η εμφανής θερμοκρασία της πετρελαιοκηλίδας βρέθηκε υψηλότερη από αυτή των περιβαλλόντων θαλάσσιων υδάτων κατά την μέγιστη θερμοκρασιακή διαφορά των 3.2Κ. Οι ψυχρές και οι θερμές λωρίδες πετρελαίου έχουν αμφότερες σχετικά πυκνό υμένιο (thick film), αλλά οι ψυχρές οφείλονται στην αρχική χαμηλή θερμοκρασία κατά την ανάβλυση από τα βαθέα ύδατα, ενώ οι θερμές προκαλούνται από ηλιακή θέρμανση. Τα παραπάνω συνιστούν ότι η θερμική υπέρυθρη απεικόνιση έχει την προοπτική να προσδιορίζει την θέση της διαρροής πετρελαιοκηλίδας αργού πετρελαίου ειδικά από τα βαθέα ύδατα και να αναγνωρίζει πυκνές συγκεντρώσεις πετρελαίου.

'''Κηλίδα αργού πετρελαίου | πλατφόρμα εξόρυξης πετρελαίου βαθέων υδάτων | θαλάσσια επιφανειακή θερμοκρασία | απεικόνιση στο θερμική υπέρυθρο | Landsat | Deepwater Horizon |Κόλπος του Μεξικού'''

== Εισαγωγή ==

Η τηλεπισκόπηση μπορεί να παρέχει πληροφορία για την θέση μιας πετρελαιοκηλίδας στον ωκεανό, τον ρυθμό και την διεύθυνση μεταφοράς του ρύπου, και η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως δεδομένο σε μοντέλα πρόβλεψης και να βοηθήσει στην οργάνωση του καθαρισμού και του ελέγχου.
Για την παρακολούθηση πετρελαιοκηλίδων στην θάλασσα γίνεται κυρίως χρήση τεχνικών τηλεανίχνευσης οπτικών ή με μικροκύματα. Οι οπτικές τεχνικές περιλαμβάνουν ενεργητικούς και παθητικούς δέκτες στο ορατό φάσμα (passive and active visible remote sensing), π.χ. οπτικές εικόνες LANDSAT, MODIS, και laser fluorescence, με περιορισμούς όμως λόγω ατμοσφαιρικών συνθηκών. Επίσης, υπάρχουν εφαρμογές SAR αισθητήρων, οι οποίες υπερβαίνουν το εμπόδιο της νέφωκάλυψης, όμως η δυνατότητα ανίχνευσης τους επηρεάζεται από την ταχύτητα του ανέμου στην επιφάνεια της θάλλασας – θάλασσα σε νηνεμία μπορεί να αποδωθεί ως πετρελαιοκηλίδα, ενώ σε υψλές ταχύτητες ανέμου πετρελαιοκηλίδες δεν μπορούν να εντοπισθούνε.
Οι πετρελαϊκές επιστρώσεις διαφοροποιούνται από τα θαλάσσια ύδατα στα θερμικά χαρακτηριστικά και απορρόφηση ενέργειας της ηλιακής ακτινοβολίας. Έτσι, η τηλεπισκοπικές τεχνικές στο θερμικό υπέρυθρο είναι σημαντικό εργαλείο αίχνευσης πετρελαιοκηλίδων ( και λόγω της δυνατότητας απεικόνισης την ημέρα και την νύχτα και υπό συνθήκες καταχνίας ή αραιής ομίχλης).

== Δεδομένα και μέθοδοι ==

Η περίπτωση μελέτης που εξετάζεται στο μελετώμενο άρθρο, αφορά το ατύχημα διαρροής πετρελαίου στις 20 Απριλίου 2010 στον κόλπο του Μεξικού. H διαρροή πηγάζει από γεώτρηση πετρελαίου στον θαλάσσιο πυθμένα σε βάθος νερού 1521,6 m και σε θέση που απέχει περισσότερα από 100 km από την κοντινότερη στεριά (BP Exploration and Production Inc., 2009). Τηλεπισκοπικά δεδομένα Landsat – 7 ETM+ και Landsat – 5 TM λήφθηκαν στις 10:18 am, τοπική ώρα, για την απεικόνιση της πετρελαιοκηλίδας.
Στην αναφορά, παρουσιάζεται η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε για τον προσδιορισμό της πραγματικής θερμοκρασίας του στόχου (real temperature of target), Τ, από τον ψηφιακό αριθμό (digital number), DN, και γίνεται παράθεση των σχέσεων μετατροπής, των μεταβλητών και των παραμέτρων που χρησιμοποιήθηκαν.
Οι τηλεπισκοπικοί δέκτες Landsat – 5 / TM και Landsat – 7 / ETM+ έχουν παρόμοια παραμετροποίηση στο θερμικό κανάλι. Το δέκτης ΕΤΜ+ (60 m) έχει καλύτερη χωρική διακριτική ικανότητα από τον ΤΜ (120 m) στην θερμική υπέρυθρη απεικόνιση και είναι πιο ευαίσθητος στην θερμική ακτινοβολία. Ο δορυφορικός δέκτης Landsat - 7 ETM+ διαθέτει δύο καταστάσεις λειτουργίας: το κανάλι 6L, B61 που παρέχει ένα εκτενές δυναμικό εύρος και χαμηλή ραδιομετρική διακριτική ικανότητα και ευαισθησία, με μικρότερο κορεσμό σε υψηλές τιμές των ψηφιακών αριθμών; το κανάλι 6Η, Β62 έχει υψηλότερη ραδιομετρική διακριτική ικανότητα και ευαισθησία, αν και έχει πιο περιορισμένο δυναμικό εύρος. Από το 2003, μια τεχνική δυσλειτουργία έχει οδηγήσει την απεικόνιση ΕΤΜ+, περιλαμβανομένης της θερμικής απεικόνισης να έχει μια σειρά από οριζόντιες λωρίδες, αλλά αυτό δεν επιδρά στην ραδιομετρική επίδοση.

== Αποτελέσματα και συζήτηση ==

H απεικόνιση δείχνει τόσο ψύχρα όσο και θερμά πλούμια κατά την διαρροή και την επίπλευση τους στην περίπτωση του Deepwater Horizon. Το πρωί της 1ης Μαΐου 2010, ψυχρά πλούμια πετρελαιοκηλίδας βρέθηκαν κοντά στην θέση της πλατφόρμας εξόρυξης, και η θερμοκρασία της κάλυψης πετρελαίου βρέθηκε κατά προσέγγιση 293.1 Κ, 0.6 Κ μικρότερη από την θερμοκρασία στην παρακείμενη θαλάσσια επιφάνεια (SST: Sea Surface Temperature). Αντίστοιχα, το πρωί της 25ης Μαΐου 2010, θερμότερα πλούμια πετρελαιοκηλίδας βρέθηκαν κοντά στην θέση της πλατφόρμας εξόρυξης, και η θερμοκρασία της κάλυψης πετρελαίου βρέθηκε κατά προσέγγιση 296.5 Κ, 3.2 Κ μεγαλύτερη από την θερμοκρασία στην παρακείμενη θαλάσσια επιφάνεια. Παρότι σφάλματα στην βαθμονόμηση μπορεί να υπεισέρχονται λόγω της πολύχρονης λειτουργίας, δεν θεωρούμε ότι αυτά έχουν σημαντική επίδραση στην αποκτημένη απεικόνιση της θαλάσσιας επιφανειακής θερμοκρασίας. Επισημαίνεται, συμπληρωματικά, ότι η πετρελαιοκηλίδα παρουσιάζεται θερμότερη κατά την ημέρα και ψυχρότερη κατά την νύχτα.
Παρότι η θερμοκρασία στον πυθμένα είναι πολύ χαμηλότερη από την θαλάσσια επιφανειακή θερμοκρασία (1.2 – 17.0 oC έναντι 28 – 36 οC στην περιοχή μελέτης) και καθόλη την άνοδο του πλουμίου υπάρχει ανταλαγή θερμότητας μεταξύ του νερού και του πετρελαίου, το πλούμιο διατηρέιται για κάποια διάρκεια ψυχρότερο από την περιβάλλουσα. Αν και η διαφορά των θερμοκρασιών είναι μικρή, η φωτεινή θερμοκρασία του πλουμίου είναι αισθητά μικρότερη (βλέπε ), λόγω της μειωμένης θερμικής εκπομπής (βλέπε Εικόνα....). Η εξάπλωση της πετρελαιοκηλίδας στην επιφάνεια, οδηγεί σε αύξηση της θερμικής ανταλαγγής πετρελαίου – νερού. Παράλληλα, το πάχος της πετρελαιοκηλίδας επιρεάζει την θερμική συπεριφορά της, καθώς π.χ. μεγαλύτερα πάχη μπορούν να συσσωρεύσουν περισσότερη ενέργεια ακτινοβολίας και να αποδόσουν μεγαλύτερες θερμοκρασίες.

== Συμπεράσματα ==

Στην περίπτωση μελέτης της διαρροής πετρελαιοκηλίδας του Deepwater Horizon, εντοπίστηκαν τηλεπισκοπίκά τόσο ψυχρές όσο και θερμές κηλίδες πετρελαίου, οι μεν στο σημείο της ανάβλυσης, οι δε σε απομακρυσμένο σημείο, έχοντας υποστεί ηλιακή θέρμανση. Αυτά τα αποτελέσματα καταδεικνύουν την σημασία της τηλεπισκόπικών τεχνικών στο θερμικό υπέρυθρο για τον προσδιορισμό της πηγής διαρροών αργού πετρελαίου στην περίπτωση βαθέων υδάτων και στων συγκεντρώσεων πετρελαιοκηλίδων.

[[category:Χαρτογράφηση και παρακολούθηση πετρελαιοκηλίδων]]

Παρατήρηση πετρελαιοκηλίδων σε θερμική απεικόνιση Landsat: Η περίπτωση Deepwater Horizon

2019-01-31T21:18:34Z

Pmagdaleneio: Νέα σελίδα με '[[Εικόνα:pipinimoilspillimage01|right|thumb|Εικόνα 1 Ψυχρό πλούμιο της διαρροής πετρελαίου, η διαρροή απεικονί...'

[[Εικόνα:pipinimoilspillimage01|right|thumb|Εικόνα 1 Ψυχρό πλούμιο της διαρροής πετρελαίου, η διαρροή απεικονίζεται με κόκκινωπό χρώμα στο σύνθετο RGB: Band 7 - 4 -1. Η εικόνα προέρχεται από τον Landsat 7, ETM+ 01/05/2010 16:18 GMT.]]
[[Εικόνα:pipinimoilspillimage02|right|thumb|Εικόνα 2 Ψυχρό πλούμιο της διαρροής πετρελαίου, η διαρροή απεικονίζεται σκοτεινή στο θερμικό υπέρυθρο. Η εικόνα προέρχεται από τον Landsat 7, ETM+ 01/05/2010 16:18 GMT.]]
[[Εικόνα:pipinimoilspillimage03|right|thumb|Εικόνα 3 Θερμή πετρελαιοκηλίδα, απεικονίζεται με πράσινο χρώμα στο σύνθετο RGB: band 7 4 1. Η εικόνα προέρχεται από τον Landsat 7, ETM+ 22/05/2010 16:17 GMT.]]
[[Εικόνα:pipinimoilspillimage04|right|thumb| Εικόνα 4 Θερμή πετρελαιοκηλίδα, απεικονίζεται με φωτεινή στο θερμικό υπέρυθρο. Η εικόνα προέρχεται από τον Landsat 7, ETM+ 22/05/2010 16:17 GMT.]]
[[Εικόνα:pipinimoilspillimage05|right|thumb| Εικόνα 5 Συσχέτιση της φωτεινής θερμοκρασίας, TB, και της θερμοκρασίας της θαλάσσιας επιφάνειας του νερού και του πετρελάιου με την αλλάγη της θερμικής εκπομπής.]]

''Xing, Q., Li, L., Lou, M., Bing, L., Zhao, R., Li, Z., 2015. Observation of Oil Spills through Landsat Thermal Infrared Imagery: A Case of Deepwater Horizon. International Oil Spill Response Technical Seminar. Aquatic Propedia 3 (2015) 151 – 156.''

== Περίληψη ==

Στις πετρελαιοκηλίδες που προκλήθηκαν από ατύχημα στον Κόλπο του Μεξικού το 2010, έγινε αντιληπτό ότι ψυχρά πλούμια από το αρχικό πετρέλαιο (που διέρρευσε), καλύπτουν μια εμφανή επιφάνεια με θερμοκρασία χαμηλότερη κατά 0,6 Κ από αυτήν της περιβάλλουσας θαλάσσιας επιφάνειας, και μακριά από την αρχική θέση διαρροής, η εμφανής θερμοκρασία της πετρελαιοκηλίδας βρέθηκε υψηλότερη από αυτή των περιβαλλόντων θαλάσσιων υδάτων κατά την μέγιστη θερμοκρασιακή διαφορά των 3.2Κ. Οι ψυχρές και οι θερμές λωρίδες πετρελαίου έχουν αμφότερες σχετικά πυκνό υμένιο (thick film), αλλά οι ψυχρές οφείλονται στην αρχική χαμηλή θερμοκρασία κατά την ανάβλυση από τα βαθέα ύδατα, ενώ οι θερμές προκαλούνται από ηλιακή θέρμανση. Τα παραπάνω συνιστούν ότι η θερμική υπέρυθρη απεικόνιση έχει την προοπτική να προσδιορίζει την θέση της διαρροής πετρελαιοκηλίδας αργού πετρελαίου ειδικά από τα βαθέα ύδατα και να αναγνωρίζει πυκνές συγκεντρώσεις πετρελαίου.

'''Κηλίδα αργού πετρελαίου | πλατφόρμα εξόρυξης πετρελαίου βαθέων υδάτων | θαλάσσια επιφανειακή θερμοκρασία | απεικόνιση στο θερμική υπέρυθρο | Landsat | Deepwater Horizon |Κόλπος του Μεξικού'''

== Εισαγωγή ==

Η τηλεπισκόπηση μπορεί να παρέχει πληροφορία για την θέση μιας πετρελαιοκηλίδας στον ωκεανό, τον ρυθμό και την διεύθυνση μεταφοράς του ρύπου, και η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως δεδομένο σε μοντέλα πρόβλεψης και να βοηθήσει στην οργάνωση του καθαρισμού και του ελέγχου.
Για την παρακολούθηση πετρελαιοκηλίδων στην θάλασσα γίνεται κυρίως χρήση τεχνικών τηλεανίχνευσης οπτικών ή με μικροκύματα. Οι οπτικές τεχνικές περιλαμβάνουν ενεργητικούς και παθητικούς δέκτες στο ορατό φάσμα (passive and active visible remote sensing), π.χ. οπτικές εικόνες LANDSAT, MODIS, και laser fluorescence, με περιορισμούς όμως λόγω ατμοσφαιρικών συνθηκών. Επίσης, υπάρχουν εφαρμογές SAR αισθητήρων, οι οποίες υπερβαίνουν το εμπόδιο της νέφωκάλυψης, όμως η δυνατότητα ανίχνευσης τους επηρεάζεται από την ταχύτητα του ανέμου στην επιφάνεια της θάλλασας – θάλασσα σε νηνεμία μπορεί να αποδωθεί ως πετρελαιοκηλίδα, ενώ σε υψλές ταχύτητες ανέμου πετρελαιοκηλίδες δεν μπορούν να εντοπισθούνε.
Οι πετρελαϊκές επιστρώσεις διαφοροποιούνται από τα θαλάσσια ύδατα στα θερμικά χαρακτηριστικά και απορρόφηση ενέργειας της ηλιακής ακτινοβολίας. Έτσι, η τηλεπισκοπικές τεχνικές στο θερμικό υπέρυθρο είναι σημαντικό εργαλείο αίχνευσης πετρελαιοκηλίδων ( και λόγω της δυνατότητας απεικόνισης την ημέρα και την νύχτα και υπό συνθήκες καταχνίας ή αραιής ομίχλης).

== Δεδομένα και μέθοδοι ==

Η περίπτωση μελέτης που εξετάζεται στο μελετώμενο άρθρο, αφορά το ατύχημα διαρροής πετρελαίου στις 20 Απριλίου 2010 στον κόλπο του Μεξικού. H διαρροή πηγάζει από γεώτρηση πετρελαίου στον θαλάσσιο πυθμένα σε βάθος νερού 1521,6 m και σε θέση που απέχει περισσότερα από 100 km από την κοντινότερη στεριά (BP Exploration and Production Inc., 2009). Τηλεπισκοπικά δεδομένα Landsat – 7 ETM+ και Landsat – 5 TM λήφθηκαν στις 10:18 am, τοπική ώρα, για την απεικόνιση της πετρελαιοκηλίδας.
Στην αναφορά, παρουσιάζεται η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε για τον προσδιορισμό της πραγματικής θερμοκρασίας του στόχου (real temperature of target), Τ, από τον ψηφιακό αριθμό (digital number), DN, και γίνεται παράθεση των σχέσεων μετατροπής, των μεταβλητών και των παραμέτρων που χρησιμοποιήθηκαν.
Οι τηλεπισκοπικοί δέκτες Landsat – 5 / TM και Landsat – 7 / ETM+ έχουν παρόμοια παραμετροποίηση στο θερμικό κανάλι. Το δέκτης ΕΤΜ+ (60 m) έχει καλύτερη χωρική διακριτική ικανότητα από τον ΤΜ (120 m) στην θερμική υπέρυθρη απεικόνιση και είναι πιο ευαίσθητος στην θερμική ακτινοβολία. Ο δορυφορικός δέκτης Landsat - 7 ETM+ διαθέτει δύο καταστάσεις λειτουργίας: το κανάλι 6L, B61 που παρέχει ένα εκτενές δυναμικό εύρος και χαμηλή ραδιομετρική διακριτική ικανότητα και ευαισθησία, με μικρότερο κορεσμό σε υψηλές τιμές των ψηφιακών αριθμών; το κανάλι 6Η, Β62 έχει υψηλότερη ραδιομετρική διακριτική ικανότητα και ευαισθησία, αν και έχει πιο περιορισμένο δυναμικό εύρος. Από το 2003, μια τεχνική δυσλειτουργία έχει οδηγήσει την απεικόνιση ΕΤΜ+, περιλαμβανομένης της θερμικής απεικόνισης να έχει μια σειρά από οριζόντιες λωρίδες, αλλά αυτό δεν επιδρά στην ραδιομετρική επίδοση.

== Αποτελέσματα και συζήτηση ==

H απεικόνιση δείχνει τόσο ψύχρα όσο και θερμά πλούμια κατά την διαρροή και την επίπλευση τους στην περίπτωση του Deepwater Horizon. Το πρωί της 1ης Μαΐου 2010, ψυχρά πλούμια πετρελαιοκηλίδας βρέθηκαν κοντά στην θέση της πλατφόρμας εξόρυξης, και η θερμοκρασία της κάλυψης πετρελαίου βρέθηκε κατά προσέγγιση 293.1 Κ, 0.6 Κ μικρότερη από την θερμοκρασία στην παρακείμενη θαλάσσια επιφάνεια (SST: Sea Surface Temperature). Αντίστοιχα, το πρωί της 25ης Μαΐου 2010, θερμότερα πλούμια πετρελαιοκηλίδας βρέθηκαν κοντά στην θέση της πλατφόρμας εξόρυξης, και η θερμοκρασία της κάλυψης πετρελαίου βρέθηκε κατά προσέγγιση 296.5 Κ, 3.2 Κ μεγαλύτερη από την θερμοκρασία στην παρακείμενη θαλάσσια επιφάνεια. Παρότι σφάλματα στην βαθμονόμηση μπορεί να υπεισέρχονται λόγω της πολύχρονης λειτουργίας, δεν θεωρούμε ότι αυτά έχουν σημαντική επίδραση στην αποκτημένη απεικόνιση της θαλάσσιας επιφανειακής θερμοκρασίας. Επισημαίνεται, συμπληρωματικά, ότι η πετρελαιοκηλίδα παρουσιάζεται θερμότερη κατά την ημέρα και ψυχρότερη κατά την νύχτα.
Παρότι η θερμοκρασία στον πυθμένα είναι πολύ χαμηλότερη από την θαλάσσια επιφανειακή θερμοκρασία (1.2 – 17.0 oC έναντι 28 – 36 οC στην περιοχή μελέτης) και καθόλη την άνοδο του πλουμίου υπάρχει ανταλαγή θερμότητας μεταξύ του νερού και του πετρελαίου, το πλούμιο διατηρέιται για κάποια διάρκεια ψυχρότερο από την περιβάλλουσα. Αν και η διαφορά των θερμοκρασιών είναι μικρή, η φωτεινή θερμοκρασία του πλουμίου είναι αισθητά μικρότερη (βλέπε ), λόγω της μειωμένης θερμικής εκπομπής (βλέπε Εικόνα....). Η εξάπλωση της πετρελαιοκηλίδας στην επιφάνεια, οδηγεί σε αύξηση της θερμικής ανταλαγγής πετρελαίου – νερού. Παράλληλα, το πάχος της πετρελαιοκηλίδας επιρεάζει την θερμική συπεριφορά της, καθώς π.χ. μεγαλύτερα πάχη μπορούν να συσσωρεύσουν περισσότερη ενέργεια ακτινοβολίας και να αποδόσουν μεγαλύτερες θερμοκρασίες.

== Συμπεράσματα ==

Στην περίπτωση μελέτης της διαρροής πετρελαιοκηλίδας του Deepwater Horizon, εντοπίστηκαν τηλεπισκοπίκά τόσο ψυχρές όσο και θερμές κηλίδες πετρελαίου, οι μεν στο σημείο της ανάβλυσης, οι δε σε απομακρυσμένο σημείο, έχοντας υποστεί ηλιακή θέρμανση. Αυτά τα αποτελέσματα καταδεικνύουν την σημασία της τηλεπισκόπικών τεχνικών στο θερμικό υπέρυθρο για τον προσδιορισμό της πηγής διαρροών αργού πετρελαίου στην περίπτωση βαθέων υδάτων και στων συγκεντρώσεων πετρελαιοκηλίδων.

[[category:Χαρτογράφηση και παρακολούθηση πετρελαιοκηλίδων]]

Πιπίνη Μαγδαληνή Ιώ

2019-01-31T20:26:06Z

Pmagdaleneio:

[[Εντοπισμός βιοφωταυγούς γαλακτερής θάλασσας από το διάστημα|'''Εντοπισμός βιοφωταυγούς γαλακτερής θάλασσας από το διάστημα''' (''>Οικολογία'')]]

[[Τηλεπισκόπιση Πλημμυρών και Πλημμυρικά Ευαίσθητων Περιοχών: Μια Επισκόπηση|'''Τηλεπισκόπιση Πλημμυρών και Πλημμυρικά Ευαίσθητων Περιοχών: Μια Επισκόπηση''' (''>Εκτίμηση Καταστροφών πλημμυρών>Διαχείριση Κινδύνων'')]]

[[category:ΔΠΜΣ "Περιβάλλον & Ανάπτυξη" (Αθήνα) ]]

Εντοπισμός βιοφωταυγούς γαλακτερής θάλασσας από το διάστημα

2019-01-31T20:24:11Z

Pmagdaleneio:

[[Εικόνα:pipinimbiolumiimage01.jpg|thumb|right|Εικόνα 1 Περιοχές μελέτης (πάνω) που αντιστοιχούν στις αφιλτράριστες (A-C) και φλιτραρισμένες δορυφορικές απεικονίσεις την νύχτα της παρατήρησης του SS Lima. (Α και D) 25/01/1995 1836 GMT (B και Ε) 26/01/1995 1804 GMT (C και F) 27/01/1995 1725 GMT. Τα βέλη στην F δείχνουν πλασματικές παρατηρήσεις που οφείλονται στον χαμηλό λόγο σήματος – θορύβου. Στην D φαίνεται απεικονίζεται ο διάπλους του SS Lima (διακεκομένη γραμμή) και οι θέσης της πρώτης θέασης (σημείο a) και της εξόδου από την γαλακτερή θάλασσα (σημείο b), βάσει των λεπτομερών αναφορών του πλοίου.]]

[[Εικόνα:pipinimbiolumiimage02.jpg|thumb|right|Εικόνα 2 Εργαστηριακή εκπομπή φάσματος βιοφωταυγών βακτηριδίων (μαύρο) συγκρινόμενη με συναρτήσεις φασματικής απόκρισης. Τα δεδομένα δείχνονται από το νυχτερινό ορατό κανάλι OLS του προγράμματος U.S. Defense Meteorological Satellite Program – του αισθητήρα που χρησιμοποιείται στην μελέτη – (A) και του προτεινόμενου ημερίσιου/νυχτερινού καναλιού του National Polar-orbiting Operational Environmental Satellite System VisibleInfrared ImagerRadiometer Suite (Β). Οι επικαλυπτόμενες περιοχές δείχνονται με γκρί.]]

''D. Miller, Steven H. D. Haddock, Christopher D. Elvidge, and Thomas F. Lee. '''Detection of a bioluminescent milky sea from space Steven'''''

[https://www.pnas.org/content/102/40/14181.full Πηγή]

== Περίληψη ==

Συχνά αναφερόμενες στην λαϊκή ναυτική αφήγηση, σουρεαλιστικές νυχτερινές εμφανίσεις, όπου η θαλάσσια επιφάνεια δημιουργούσε μια εκτενής, ομοιόμορφη και διαρκής λάμψη που εκτεινόνταν έως τον ορίζοντα προς όλες τις κατευθύνσεις, οι επονομαζόμενες γαλακτερές θάλασσες εικάζεται να είναι ενδείξεις μιας ασυνήθιστης βιοφωταυγείας που παράγεται από αποικίες βακτηριδίων σε σύνδεση με εκρήξη μικροαλγών στα επιφανειακά νερά. Εξαιτίας της εφήμερης φύσης τους και της έλλειψης επιστημονικών παρατηρήσεων, μια εξήγηση του φαινομένου έχει παραμείνει ασαφής. Στην πρώτη δορυφορική παρατηρήση του, το φαινομένου εμφανίζεται σεμια έκταση περίπου 15,400 km2 του Βορειοδυτικού Ινδικού Ωκεανού, κατά την διάρκεια τριών διαδοχικών νυχτών, έχοντας επιβεβαιωθεί την πρώτη νύχτα από το παρεβρισκόμενο πλοίο SS Lima. Αυτή η απροσδόκητη εφαρμογή της τηλεπισκόπησης παρείχε γνώση σχετικά με τον σχηματισμό και την κλίμακα αυτών των περιορισμένα κατανοητών φαινομένων.

'''Βακτηριδιακή βιοφωταύγεια|μικροβιακή οικολογία'''

== Εισαγωγή ==

Αν και έχουν παρατηρηθεί από ναυτικούς από τον 17ο αι., οι γαλακτερές θάλασσες έχουν ξεγλιστρήσει από την επιστημονικη έρευνα, με την εξαίρεση μιας επιτόπιας επιστημονικής παρατήρησης, όπου εκτίμηθηκε ότι η εκπομπή φωτός οφείλεται στα φωταυγή βακτηρίδια (Vibrio harveyi) που ζουν σε σύνδεση με τα μικροάλγη Phaeocystis. Παρόλα αυτά, λεπτομέρειες για τους μηχανισμούς σχηματισμού, την χωρική εξάπλωση, την παγκόσμια διασπορά, την εποχιακή διακύμανση και την οικολογική επίδραση των γαλακτερών θαλαρών παραμένουν σχεδόν παντελώς άγνωστες.
Από 235 ντοκουμένα σε ναυτικά ημερολόγια (υποκείμενα, όπως είναι φυσικό, στην ανθρώπινη αντίληψη και την λαϊκή ερμηνεία) γνωρίζουμε ότι μια τυπική γαλακτερή θάλασσα (ορατή μόνο την νύχτα) λάμπει συνεχόμενα πάνω από μια εκτενής περιοχή, είναι ανεξάρτητη από τον άνεμο, διαρκεί από μερικές ώρες έως μερικές μέρες, και μπορεί να συνδέεται με ωκεανογραφικά μέτωπα ή βιολογικα slicks. Το μεγαλύτερο μέρος των επεισοδίων (171) έχει καταγραφεί στον βορειοδυτικό Ινδικό ωκεανό, και ένα αξιόλογο στην Java της Ινδονησίας. Αν και οι παρατηρήσεις αφορούν σε ενεργούς θαλάσσιους δρόμους, δεν υπάρχουν αντίστοιχες για άλλες πολυσύχναστες περιοχές.
Μόνο δύο είδη φωτεινών οργανισμών θεωρούνται αιτιολογημένοι υποψήφιοι αυτής της εκπομπής: dinoflagellates και τα βακτήρια. Τα πρώτα, λόγω του τύπου φωταύγειας τους (ως απόκριση σε μηχανική διαταραχή, π.χ. θραυόμενος κυματισμός) θεωρούνται σχεδόν απίθανο να δώσουν διεγέρσεις που μπορούν να εντοπισθούν τηλεπισκοπικά. Τα δε φωτεινά βακτήρια, αν και μπορουν να εκπέμπουν μια διαρκές αλλά θαμπή λάμψη που μπορεί να διαρκέσει για πολλές μέρες κάτω από κατάλληλες συνθήκες, ελεύθερα είναι δύσκολο να προκαλέσουν σε γαλακτερές θάλασσες (λόγω του φαινομένου της αυτεπαγωγής, quorum sensing). H εκτιμώμενη σύνδεση των φωτεινών βακτηριδίων με αποικίες Phaeocystis (που λειτουργούν ως υπόστρωμα) θα παρείχε τέτοιες συνθήκες, ώστε ο πληθυσμός των φωτεινών βακτηρίων να μπορεί να εκπέμπει συνεχόμενα σε μια συχνότητα για παράδειγμα των 103 φωτονίων ανά sec ανά κύταρρο.

== Εργαλεία και Μέθοδοι ==

Αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε δεδομένα από Αμυντικό Μετεωρολογικό Δορυφορικό Πρόγραμμα της ΗΠΑ. Οι δορυφόροι του συστήματος OLS σε ύψος 833 km, πολικής περιστροφής, είναι σχεδιασμένοι να καταγράφουν την παγκόσμια νέφωση σε ηλιακό και σεληνιακό φωτισμό. Για τις νυχτερινές παρατηρήσεις, το σύστημα OLS χρησιμοποιεί έναν φωτοπολλαπλασιαστικό αγωγό για την συλλογή ακτινοβολίας στο φάσμα του ορατού και του εγγύς υπέρυθρου με ευαισθησία τεσσάρων τάξεων μεγαλύτερη από συμβατικούς ανιχνευτές, όπως αυτοί των προγραμμάτων AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) και Landsat Thematic Mapper. H γήινη εικόνα δημιουργείται μέσω ενός ταλαντευόμενου προτύπου σάρωσης, μέσο του εδαφικού ίχνους. Ένας σταθερός ρυθμός δείγματος και η μηχανική σμύκρινση του διαφράγματος ηλεκτρονίων PMT για το έξω τέταρτο κάθε γραμμής σάρωσης οδήγησε σε περίπου ίση περιοχή pixel (~2.8km) κατά μήκος του πλάτους 3,000 km της λωρίδας. Παρότι το νυχτερινό κανάλι VNIR παρέχει εξαιρετική πληροφορία αντίθεσης (contrast) σε μεγάλο δυναμικό εύρος, περιορίζεται από αδρή ραδιομετρική ανάλυση (ποσοτικοποίηση 8 – bit) και στερείται βαθμονόμησης. Επιπρόσθετα της καταγραφής της σεληνιακής αντανάκλασης, η ικανότητα δημιουργία εικόνας σε περιορισμένο φώς έχει χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό εδαφικών και ατμοσφαιρικών πηγών εκπομπών, όπως φωτιές, κεραυνούς και ανθρώπινη δραστηριότητα ανά τον κόσμο. Δεν υπάρχουν προτείτερες αναφορές της ικανότητας του OLS να εντοπίσει γαλακτερές θάλασσες ή άλλη βιοφωταυγεία.
Για να βελτιωθεί η οπτική αντίθεση μεταξύ της συνεκτικού πλέγματος εκπομπών γαλακτερής θάλασσας και του θορύβου βάθους του οργάνου, τα δεδομένα OLS – VNIR ενισχύθηκαν ψηφιακά. Πρώτον, η μέση ένταση της κάθε γραμμής σάρωσης αφαιρείται για να μειώθούν οι μεταβολές στην στάθμη του ηλεκτρικού θορύβου. Για να μειωθέι ο θόρυβος των λυχνιών φωτοπολλαπλασιασμού, ενα φίλτρο 3 – pixel εφαρμόσθηκε στην κατεύθυνση της σάρωσης. Αν τουλάχιστον 2 pixel υπέρβαίναν το κατώφλι ( που ορίζεται στο ~5% του βαθμού κορεσμού του ανιχνευτή), τότε και τα 3 pixel ορίζονταν στην τιμή κορεσμού, διαφορετικά και τα 3 pixel ορίζονταν στο 0. Αυτή η διαδικασία επαναλαμβανόταν σε μια κατα μήκος διεύθυνση. Τέλος, ενα φίλτρο 8 – pixel εφαρμόζεται,και τα δεδομένα εξισσοροπούνται βάσει του ιστογραφήματος. Η ενίσχυση οδηγεί στην συγκέντρωση των συνεκτικών στοιχείων και στην απόκρυψη του τυχαίου θορύβου.
Παράλληλα, για την καταγραφή του φάσματος εκπομπών των βακτηριδίων, αναπτύχθηκε εργαστηριακά πληθυσμός του είδους Vibrio fischeri, το οποίο θεωρείται υπέυθυνο για το φαινόμενο της γαλακτερής θάλλασας . (Τα φάσματα εκπομπών που έχουν καταγράφηκε για πολλά διαφορετικά είδη από φωταυγή βακτήρια δίνουν τιμές αιχμής στα 490 nm και ήμισυ του ζωνικού εύρους 70 nm). Σε αυτό το σημείο, επισημαίνεται ότι το φάσμα των βακτηριδίων δεν υπερκαλύπτει πλήρως αυτή την συνάρτηση απόκρισης του αισθητήρα του ανιχνευτή, μόνο ένα τμήμα του συνολικού εκπεμπόμενου φωτός θα εντοπισθεί, που σημαίνει ότι τα βακτηρίδια πρέπει να παράγουν περισσότερο φως από το ελάχιστο ονομαστικό ανισχεύσιμο σήμα του οργάνου (MSD) για να εντοπισθούν. Για αυτό τον λόγο, εκτιμάται υπολογιστικά ένα ποσοστό του κανονικοποιημένου φάσματος εκπομπής των βακτηριδίων που ανιχνεύεται από τον δορυφορικό αισθητήρα, με το οποίο διαιρείται το ονομαστικό ανιχνεύσιμο σήμα του οργάνου για να προκύψει ένα κατώφλι βακτηριδιακής ακτινοβολίας πάνω από το οποίο επιτυγχάνεται η δορυφορική ανίχνευση. Για ένα επίπεδo εκπομπών κοντά στην επιφάνεια (με την σκέδαση μέσα στο νερό και την απορρόφηση να αγνοείται) και για ένα εκτιμώμενο βαθμό παραγωγής φωτονίων ανά κύτταρο, εκτιμήθηκε ο ελάχιστος βακτηριδιακός πληθυσμός που απαιτείται για να παράξει το κατώφλι ανίχνευσης. Στην συνέχεια με δεδομένη την έκταση του φαινομένου όπως καταγράφηκε από τον δορυφόρο, υπολογίσθηκε μια συνολικός πληθυσμός βακτηριδιακών κυττάρων συντηρητικά βάσει του ελάχιστου βακτηριδιακού πληθυσμού.

== Αποτελέσματα και Συζήτηση ==

Ο τηλεπισκοπικός εντοπισμός ενος σχετικά ασθενούς φωτεινού σήματος όπως το βιοφωταυγές εξαρτάται από την χωρική έκταση, την ομοιογένεια, και το αποτέλεσμα της ατμοσφαιρικής εξασθένισης και απαιτεί την απουσία φωτεινής ρύπανσης από άλλες πηγές. Εξετάσθηκε αρχείο αναφορών πλοίων στο φαινόμενο από το 1992, το οποίο αντιστοιχούσε σε διαθέσιμα δορυφορικά δεδομένα OLS, για κάποια με ευνοϊκές συνθήκες εντοπισμού Από την διαδικασία αυτή επιλέχθηκε το μελετώμενο περιστατικό.
Η ανεπεξέργαστη νυχτερινή απεικόνιση στο ορατό OLS, η οποία συμπίπτει κατά μια μιση ώρα στην επιτόπια παρατήρηση, καταδεικνύει την παρουσία ενός μεγάλου, φωτεινού στοιχείου κοντά στην τοποθεσία, που παραμένει για τις ακόλουθες δύο νύχτες. Η ψηφιακή ενίσχυση και το φιλτράρισμα της εικόνας απομονώνουν περισσότερο το συνεκτικό στοιχείο από τον θόρυβο βάθους. Οι θέσεις πορείας του πλοίου (η θέση κατά την είσοδο και κατά την έξοδο από την γαλακτερή θάλασσα) έχουν στενή αντιστοιχία με τα όρια του αντικειμένου της δορυφορικής παρατήρησης.
Η δορυφορική οπτική αποκαλύπτει ότι το φαινόμενο καταλαμβάνει έκταση τουλάχιστον 15,400km2 στις 25 Ιανουαρίου 1995 και επεκτείνεται σε έκταση > 17,700 km2 την επόμενη μέρα. Η παραμονή του φαινομένου για πολλές μέρες είναι συνεπής με προηγούμενα ευρήματα και επιτρέπει την εξέταση της χωρικής εξέλιξης σε σύνδεση με την τοπικά θαλλάσια ρεύματα. Η παρατηρούμενη μεταφορά και περιστροφή της φωτεινής δομής για τρεις νύχτες ήταν συνεπής με μια δίνη ψυχρού πυρήνα από την μοντελοποίηση των ωκεάνιων ρευμάτων. Οι συνθήκες που διαπιστώθηκαν (παρουσία ψυχρών δινών και υποθαλλάσια δάση kelp) προτιμώνται από αποικίες φωτοπλαγκτόν, οι οποίες όντας σε ανάπτυξη μπορούν να προσφέρουν ένα υπόστρωμα για τον εποικισμό απο φωταυγή βακτήρια.
Για να αξιολογήσουμε τις απαιτήσεις εκπομπών βάση της υπόθεσης βακτηριακής πηγής, συγκρίναμε την φασματική ευαισθησία του δορυφορικού αισθητήρα με το φάσμα εκπομπών των βακτηριδίων. H απόδοση της ανίχνευσης, όπως εκτιμήθηκε στο 22%, δίνει κατώφλι ακτινοβολίας των εκπομπών των βακτηριδίων 1.8 Χ 10-4 W/m2/sr. Ο δορυφορικά ανιχνεύσιμος ελάχιστος πληθυσμός βακτηριδίων στην υδάτινη στήλη εκτιμάται σε 2,8 X108 κύτταρα/cm2. Βάσει της κάλυψης που εκτιμάται από την δορυφορική εικόνα, ο συνολικός πληθυσμός στην παρατηρημένη γαλακτερή θάλασσα εκτιμάται προσεγγιστικά σε 4x1022 βακτηριδιακά κύτταρα.
Η επόμενη γενία αισθητήρων χαμηλής φωτεινότητας, όπως εκπροσωπείται από το ημερίσιο/νυχτερινό κανάλι του συστήματος NPOESS (βλέπε Εικόνα 2 Β), προσφέρει την δυνατότητα βελτιωμένης ικανότητας παρατήρησης σε χαμηλό φωτισμό μέσω βελτιωμένου δυναμικού εύρους, υψηλότερο ποσοστό σήματος - θορύβου, βαθμονομημένα δεδομένα, υψηλότερη ραδιομετρική ανάλυση, καλύτερη χρονική ευκρίνεια και συμπληρωματική φασματική πληροφορία από άλλα κανάλια ραδιομετρικά και του ορατού/υπέρυθρου. Ο περιορισμός όμως της ευαισθησίας του σύμφωνα με τον παρόν σχεδιασμό στα μικρά μήκη κύματος το καθιστά λιγότερο κατάλληλο για την καταγραφή των μπλέ – πράσινων βιοφωταυγών εκπομπών. Κατά την προτεινόμενη φασματική συνάρτηση απόκρισης, το κατώφλι ακτινοβολίας εντοπισμού αυξάνεται στα 3.5 Χ 10-4 W/m2/sr (περίπου το ήμισυ της ευαισθησίας του παρόντος συστήματος OLS – VNIR). Δεδομένης της επιδεδειγμένης ικανότητας του να εντοπίζει ένα σπάνιο βιολογικό φαινόμενο και λαμβάνοντας υπόψιν την εμφανή εγγύτητα αυτών των σημάτων στο ελάχιστο ανιχνεύσιμο σήμα του αισθητήρα, ίσως αξίζει να διατηρηθεί η φασματική απόκριση στα μικρά μήκη κύματος του συστήματος.
Μια σπάνια ευκαιρία να αντιστοιχηθούν δορυφορικές παρατηρήσεις αισθητήρα χαμηλού φωτισμού με επιφανειακές αναφορές απέδωσε τις πρώτες δορυφορικές μετρήσεις βιοφωταύγειας από μια γαλακτερή θάλασσα. H τηλεπισκόπηση μπορεί να αποτελέσει το μόνο εφικτό μέσο εντοπισμού αυτής της υπεκφεύγουσας μορφής θαλάσσιας φωταύγειας. Για παράδειγμα, η αναπτυσσόμενες ημερίσιες τεχνικές τηλεπισκόπησης στην αποτίμηση της φυσιολογίας του φυτοπλαγκτού μπορεί να βοηθήσει στον προσδιορισμό περιοχών προτεραιότητας. Στην συνέχεια, η επιβεβαίωση παρουσίας του φαινομένου τηλεπισκοπικά θα επιτρέψει την προσέγγιση από εξειδικευμένη αποστολή παρατήρησης. Η συνδυασμένη παρατήρηση θα μας επιτρέψει να κατανοήσουμε καλύτερα τον ρόλο, την συμπεριφορά και της περιβαλλοντικές επιδράσεις των γαλακτερών θαλασσών, ενός μακροχρόνιου μυστηρίου της θαλασσινής παράδοσης.

[[category:Οικολογία]]

Εντοπισμός βιοφωταυγούς γαλακτερής θάλασσας από το διάστημα

2019-01-31T20:17:36Z

Pmagdaleneio:

[[Εικόνα:pipinimbiolumiimage01.jpg|thumb|right|Εικόνα 1 Περιοχές μελέτης (πάνω) που αντιστοιχούν στις αφιλτράριστες (A-C) και φλιτραρισμένες δορυφορικές απεικονίσεις την νύχτα της παρατήρησης του SS Lima. (Α και D) 25/01/1995 1836 GMT (B και Ε) 26/01/1995 1804 GMT (C και F) 27/01/1995 1725 GMT. Τα βέλη στην F δείχνουν πλασματικές παρατηρήσεις που οφείλονται στον χαμηλό λόγο σήματος – θορύβου. Στην D φαίνεται απεικονίζεται ο διάπλους του SS Lima (διακεκομένη γραμμή) και οι θέσης της πρώτης θέασης (σημείο a) και της εξόδου από την γαλακτερή θάλασσα (σημείο b), βάσει των λεπτομερών αναφορών του πλοίου.]]

[[Εικόνα:pipinimbiolumiimage02.jpg|thumb|right|Εικόνα 2 Εργαστηριακή εκπομπή φάσματος βιοφωταυγών βακτηριδίων (μαύρο) συγκρινόμενη με συναρτήσεις φασματικής απόκρισης. Τα δεδομένα δείχνονται από το νυχτερινό ορατό κανάλι OLS του προγράμματος U.S. Defense Meteorological Satellite Program – του αισθητήρα που χρησιμοποιείται στην μελέτη – (A) και του προτεινόμενου ημερίσιου/νυχτερινού καναλιού του National Polar-orbiting Operational Environmental Satellite System VisibleInfrared ImagerRadiometer Suite (Β). Οι επικαλυπτόμενες περιοχές δείχνονται με γκρί.]]

''D. Miller, Steven H. D. Haddock, Christopher D. Elvidge, and Thomas F. Lee. '''Detection of a bioluminescent milky sea from space Steven'''''

[https://www.pnas.org/content/102/40/14181.full Πηγή]

== Περίληψη ==

Συχνά αναφερόμενες στην λαϊκή ναυτική αφήγηση, σουρεαλιστικές νυχτερινές εμφανίσεις, όπου η θαλάσσια επιφάνεια δημιουργούσε μια εκτενής, ομοιόμορφη και διαρκής λάμψη που εκτεινόνταν έως τον ορίζοντα προς όλες τις κατευθύνσεις, οι επονομαζόμενες γαλακτερές θάλασσες εικάζεται να είναι ενδείξεις μιας ασυνήθιστης βιοφωταυγείας που παράγεται από αποικίες βακτηριδίων σε σύνδεση με εκρήξη μικροαλγών στα επιφανειακά νερά. Εξαιτίας της εφήμερης φύσης τους και της έλλειψης επιστημονικών παρατηρήσεων, μια εξήγηση του φαινομένου έχει παραμείνει ασαφής. Στην πρώτη δορυφορική παρατηρήση του, το φαινομένου εμφανίζεται σεμια έκταση περίπου 15,400 km2 του Βορειοδυτικού Ινδικού Ωκεανού, κατά την διάρκεια τριών διαδοχικών νυχτών, έχοντας επιβεβαιωθεί την πρώτη νύχτα από το παρεβρισκόμενο πλοίο SS Lima. Αυτή η απροσδόκητη εφαρμογή της τηλεπισκόπησης παρείχε γνώση σχετικά με τον σχηματισμό και την κλίμακα αυτών των περιορισμένα κατανοητών φαινομένων.

'''Βακτηριδιακή βιοφωταύγεια|μικροβιακή οικολογία'''

== Εισαγωγή ==

Αν και έχουν παρατηρηθεί από ναυτικούς από τον 17ο αι., οι γαλακτερές θάλασσες έχουν ξεγλιστρήσει από την επιστημονικη έρευνα, με την εξαίρεση μιας επιτόπιας επιστημονικής παρατήρησης, όπου εκτίμηθηκε ότι η εκπομπή φωτός οφείλεται στα φωταυγή βακτηρίδια (Vibrio harveyi) που ζουν σε σύνδεση με τα μικροάλγη Phaeocystis. Παρόλα αυτά, λεπτομέρειες για τους μηχανισμούς σχηματισμού, την χωρική εξάπλωση, την παγκόσμια διασπορά, την εποχιακή διακύμανση και την οικολογική επίδραση των γαλακτερών θαλαρών παραμένουν σχεδόν παντελώς άγνωστες.
Από 235 ντοκουμένα σε ναυτικά ημερολόγια (υποκείμενα, όπως είναι φυσικό, στην ανθρώπινη αντίληψη και την λαϊκή ερμηνεία) γνωρίζουμε ότι μια τυπική γαλακτερή θάλασσα (ορατή μόνο την νύχτα) λάμπει συνεχόμενα πάνω από μια εκτενής περιοχή, είναι ανεξάρτητη από τον άνεμο, διαρκεί από μερικές ώρες έως μερικές μέρες, και μπορεί να συνδέεται με ωκεανογραφικά μέτωπα ή βιολογικα slicks. Το μεγαλύτερο μέρος των επεισοδίων (171) έχει καταγραφεί στον βορειοδυτικό Ινδικό ωκεανό, και ένα αξιόλογο στην Java της Ινδονησίας. Αν και οι παρατηρήσεις αφορούν σε ενεργούς θαλάσσιους δρόμους, δεν υπάρχουν αντίστοιχες για άλλες πολυσύχναστες περιοχές.
Μόνο δύο είδη φωτεινών οργανισμών θεωρούνται αιτιολογημένοι υποψήφιοι αυτής της εκπομπής: dinoflagellates και τα βακτήρια. Τα πρώτα, λόγω του τύπου φωταύγειας τους (ως απόκριση σε μηχανική διαταραχή, π.χ. θραυόμενος κυματισμός) θεωρούνται σχεδόν απίθανο να δώσουν διεγέρσεις που μπορούν να εντοπισθούν τηλεπισκοπικά. Τα δε φωτεινά βακτήρια, αν και μπορουν να εκπέμπουν μια διαρκές αλλά θαμπή λάμψη που μπορεί να διαρκέσει για πολλές μέρες κάτω από κατάλληλες συνθήκες, ελεύθερα είναι δύσκολο να προκαλέσουν σε γαλακτερές θάλασσες (λόγω του φαινομένου της αυτεπαγωγής, quorum sensing). H εκτιμώμενη σύνδεση των φωτεινών βακτηριδίων με αποικίες Phaeocystis (που λειτουργούν ως υπόστρωμα) θα παρείχε τέτοιες συνθήκες, ώστε ο πληθυσμός των φωτεινών βακτηρίων να μπορεί να εκπέμπει συνεχόμενα σε μια συχνότητα για παράδειγμα των 103 φωτονίων ανά sec ανά κύταρρο.

== Εργαλεία και Μέθοδοι ==

Αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε δεδομένα από Αμυντικό Μετεωρολογικό Δορυφορικό Πρόγραμμα της ΗΠΑ. Οι δορυφόροι του συστήματος OLS σε ύψος 833 km, πολικής περιστροφής, είναι σχεδιασμένοι να καταγράφουν την παγκόσμια νέφωση σε ηλιακό και σεληνιακό φωτισμό. Για τις νυχτερινές παρατηρήσεις, το σύστημα OLS χρησιμοποιεί έναν φωτοπολλαπλασιαστικό αγωγό για την συλλογή ακτινοβολίας στο φάσμα του ορατού και του εγγύς υπέρυθρου με ευαισθησία τεσσάρων τάξεων μεγαλύτερη από συμβατικούς ανιχνευτές, όπως αυτοί των προγραμμάτων AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) και Landsat Thematic Mapper. H γήινη εικόνα δημιουργείται μέσω ενός ταλαντευόμενου προτύπου σάρωσης, μέσο του εδαφικού ίχνους. Ένας σταθερός ρυθμός δείγματος και η μηχανική σμύκρινση του διαφράγματος ηλεκτρονίων PMT για το έξω τέταρτο κάθε γραμμής σάρωσης οδήγησε σε περίπου ίση περιοχή pixel (~2.8km) κατά μήκος του πλάτους 3,000 km της λωρίδας. Παρότι το νυχτερινό κανάλι VNIR παρέχει εξαιρετική πληροφορία αντίθεσης (contrast) σε μεγάλο δυναμικό εύρος, περιορίζεται από αδρή ραδιομετρική ανάλυση (ποσοτικοποίηση 8 – bit) και στερείται βαθμονόμησης. Επιπρόσθετα της καταγραφής της σεληνιακής αντανάκλασης, η ικανότητα δημιουργία εικόνας σε περιορισμένο φώς έχει χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό εδαφικών και ατμοσφαιρικών πηγών εκπομπών, όπως φωτιές, κεραυνούς και ανθρώπινη δραστηριότητα ανά τον κόσμο. Δεν υπάρχουν προτείτερες αναφορές της ικανότητας του OLS να εντοπίσει γαλακτερές θάλασσες ή άλλη βιοφωταυγεία.
Για να βελτιωθεί η οπτική αντίθεση μεταξύ της συνεκτικού πλέγματος εκπομπών γαλακτερής θάλασσας και του θορύβου βάθους του οργάνου, τα δεδομένα OLS – VNIR ενισχύθηκαν ψηφιακά. Πρώτον, η μέση ένταση της κάθε γραμμής σάρωσης αφαιρείται για να μειώθούν οι μεταβολές στην στάθμη του ηλεκτρικού θορύβου. Για να μειωθέι ο θόρυβος των λυχνιών φωτοπολλαπλασιασμού, ενα φίλτρο 3 – pixel εφαρμόσθηκε στην κατεύθυνση της σάρωσης. Αν τουλάχιστον 2 pixel υπέρβαίναν το κατώφλι ( που ορίζεται στο ~5% του βαθμού κορεσμού του ανιχνευτή), τότε και τα 3 pixel ορίζονταν στην τιμή κορεσμού, διαφορετικά και τα 3 pixel ορίζονταν στο 0. Αυτή η διαδικασία επαναλαμβανόταν σε μια κατα μήκος διεύθυνση. Τέλος, ενα φίλτρο 8 – pixel εφαρμόζεται,και τα δεδομένα εξισσοροπούνται βάσει του ιστογραφήματος. Η ενίσχυση οδηγεί στην συγκέντρωση των συνεκτικών στοιχείων και στην απόκρυψη του τυχαίου θορύβου.
Παράλληλα, για την καταγραφή του φάσματος εκπομπών των βακτηριδίων, αναπτύχθηκε εργαστηριακά πληθυσμός του είδους Vibrio fischeri, το οποίο θεωρείται υπέυθυνο για το φαινόμενο της γαλακτερής θάλλασας . (Τα φάσματα εκπομπών που έχουν καταγράφηκε για πολλά διαφορετικά είδη από φωταυγή βακτήρια δίνουν τιμές αιχμής στα 490 nm και ήμισυ του ζωνικού εύρους 70 nm). Σε αυτό το σημείο, επισημαίνεται ότι το φάσμα των βακτηριδίων δεν υπερκαλύπτει πλήρως αυτή την συνάρτηση απόκρισης του αισθητήρα του ανιχνευτή, μόνο ένα τμήμα του συνολικού εκπεμπόμενου φωτός θα εντοπισθεί, που σημαίνει ότι τα βακτηρίδια πρέπει να παράγουν περισσότερο φως από το ελάχιστο ονομαστικό ανισχεύσιμο σήμα του οργάνου (MSD) για να εντοπισθούν. Για αυτό τον λόγο, εκτιμάται υπολογιστικά ένα ποσοστό του κανονικοποιημένου φάσματος εκπομπής των βακτηριδίων που ανιχνεύεται από τον δορυφορικό αισθητήρα, με το οποίο διαιρείται το ονομαστικό ανιχνεύσιμο σήμα του οργάνου για να προκύψει ένα κατώφλι βακτηριδιακής ακτινοβολίας πάνω από το οποίο επιτυγχάνεται η δορυφορική ανίχνευση. Για ένα επίπεδo εκπομπών κοντά στην επιφάνεια (με την σκέδαση μέσα στο νερό και την απορρόφηση να αγνοείται) και για ένα εκτιμώμενο βαθμό παραγωγής φωτονίων ανά κύτταρο, εκτιμήθηκε ο ελάχιστος βακτηριδιακός πληθυσμός που απαιτείται για να παράξει το κατώφλι ανίχνευσης. Στην συνέχεια με δεδομένη την έκταση του φαινομένου όπως καταγράφηκε από τον δορυφόρο, υπολογίσθηκε μια συνολικός πληθυσμός βακτηριδιακών κυττάρων συντηρητικά βάσει του ελάχιστου βακτηριδιακού πληθυσμού.

== Αποτελέσματα και συζήτηση ==

Ο τηλεπισκοπικός εντοπισμός ενος σχετικά ασθενούς φωτεινού σήματος όπως το βιοφωταυγές εξαρτάται από την χωρική έκταση, την ομοιογένεια, και το αποτέλεσμα της ατμοσφαιρικής εξασθένισης και απαιτεί την απουσία φωτεινής ρύπανσης από άλλες πηγές. Εξετάσθηκε αρχείο αναφορών πλοίων στο φαινόμενο από το 1992, το οποίο αντιστοιχούσε σε διαθέσιμα δορυφορικά δεδομένα OLS, για κάποια με ευνοϊκές συνθήκες εντοπισμού Από την διαδικασία αυτή επιλέχθηκε το μελετώμενο περιστατικό.
Η ανεπεξέργαστη νυχτερινή απεικόνιση στο ορατό OLS, η οποία συμπίπτει κατά μια μιση ώρα στην επιτόπια παρατήρηση, καταδεικνύει την παρουσία ενός μεγάλου, φωτεινού στοιχείου κοντά στην τοποθεσία, που παραμένει για τις ακόλουθες δύο νύχτες. Η ψηφιακή ενίσχυση και το φιλτράρισμα της εικόνας απομονώνουν περισσότερο το συνεκτικό στοιχείο από τον θόρυβο βάθους. Οι θέσεις πορείας του πλοίου (η θέση κατά την είσοδο και κατά την έξοδο από την γαλακτερή θάλασσα) έχουν στενή αντιστοιχία με τα όρια του αντικειμένου της δορυφορικής παρατήρησης.
Η δορυφορική οπτική αποκαλύπτει ότι το φαινόμενο καταλαμβάνει έκταση τουλάχιστον 15,400km2 στις 25 Ιανουαρίου 1995 και επεκτείνεται σε έκταση > 17,700 km2 την επόμενη μέρα. Η παραμονή του φαινομένου για πολλές μέρες είναι συνεπής με προηγούμενα ευρήματα και επιτρέπει την εξέταση της χωρικής εξέλιξης σε σύνδεση με την τοπικά θαλλάσια ρεύματα. Η παρατηρούμενη μεταφορά και περιστροφή της φωτεινής δομής για τρεις νύχτες ήταν συνεπής με μια δίνη ψυχρού πυρήνα από την μοντελοποίηση των ωκεάνιων ρευμάτων. Οι συνθήκες που διαπιστώθηκαν (παρουσία ψυχρών δινών και υποθαλλάσια δάση kelp) προτιμώνται από αποικίες φωτοπλαγκτόν, οι οποίες όντας σε ανάπτυξη μπορούν να προσφέρουν ένα υπόστρωμα για τον εποικισμό απο φωταυγή βακτήρια.
Για να αξιολογήσουμε τις απαιτήσεις εκπομπών βάση της υπόθεσης βακτηριακής πηγής, συγκρίναμε την φασματική ευαισθησία του δορυφορικού αισθητήρα με το φάσμα εκπομπών των βακτηριδίων. H απόδοση της ανίχνευσης, όπως εκτιμήθηκε στο 22%, δίνει κατώφλι ακτινοβολίας των εκπομπών των βακτηριδίων 1.8 Χ 10-4 W/m2/sr. Ο δορυφορικά ανιχνεύσιμος ελάχιστος πληθυσμός βακτηριδίων στην υδάτινη στήλη εκτιμάται σε 2,8 X108 κύτταρα/cm2. Βάσει της κάλυψης που εκτιμάται από την δορυφορική εικόνα, ο συνολικός πληθυσμός στην παρατηρημένη γαλακτερή θάλασσα εκτιμάται προσεγγιστικά σε 4x1022 βακτηριδιακά κύτταρα.
Η επόμενη γενία αισθητήρων χαμηλής φωτεινότητας, όπως εκπροσωπείται από το ημερίσιο/νυχτερινό κανάλι του συστήματος NPOESS (βλέπε Εικόνα 2 Β), προσφέρει την δυνατότητα βελτιωμένης ικανότητας παρατήρησης σε χαμηλό φωτισμό μέσω βελτιωμένου δυναμικού εύρους, υψηλότερο ποσοστό σήματος - θορύβου, βαθμονομημένα δεδομένα, υψηλότερη ραδιομετρική ανάλυση, καλύτερη χρονική ευκρίνεια και συμπληρωματική φασματική πληροφορία από άλλα κανάλια ραδιομετρικά και του ορατού/υπέρυθρου. Ο περιορισμός όμως της ευαισθησίας του σύμφωνα με τον παρόν σχεδιασμό στα μικρά μήκη κύματος το καθιστά λιγότερο κατάλληλο για την καταγραφή των μπλέ – πράσινων βιοφωταυγών εκπομπών. Κατά την προτεινόμενη φασματική συνάρτηση απόκρισης, το κατώφλι ακτινοβολίας εντοπισμού αυξάνεται στα 3.5 Χ 10-4 W/m2/sr (περίπου το ήμισυ της ευαισθησίας του παρόντος συστήματος OLS – VNIR). Δεδομένης της επιδεδειγμένης ικανότητας του να εντοπίζει ένα σπάνιο βιολογικό φαινόμενο και λαμβάνοντας υπόψιν την εμφανή εγγύτητα αυτών των σημάτων στο ελάχιστο ανιχνεύσιμο σήμα του αισθητήρα, ίσως αξίζει να διατηρηθεί η φασματική απόκριση στα μικρά μήκη κύματος του συστήματος.
Μια σπάνια ευκαιρία να αντιστοιχηθούν δορυφορικές παρατηρήσεις αισθητήρα χαμηλού φωτισμού με επιφανειακές αναφορές απέδωσε τις πρώτες δορυφορικές μετρήσεις βιοφωταύγειας από μια γαλακτερή θάλασσα. H τηλεπισκόπηση μπορεί να αποτελέσει το μόνο εφικτό μέσο εντοπισμού αυτής της υπεκφεύγουσας μορφής θαλάσσιας φωταύγειας. Για παράδειγμα, η αναπτυσσόμενες ημερίσιες τεχνικές τηλεπισκόπησης στην αποτίμηση της φυσιολογίας του φυτοπλαγκτού μπορεί να βοηθήσει στον προσδιορισμό περιοχών προτεραιότητας. Στην συνέχεια, η επιβεβαίωση παρουσίας του φαινομένου τηλεπισκοπικά θα επιτρέψει την προσέγγιση από εξειδικευμένη αποστολή παρατήρησης. Η συνδυασμένη παρατήρηση θα μας επιτρέψει να κατανοήσουμε καλύτερα τον ρόλο, την συμπεριφορά και της περιβαλλοντικές επιδράσεις των γαλακτερών θαλασσών, ενός μακροχρόνιου μυστηρίου της θαλασσινής παράδοσης.

[[category:Οικολογία]]

Εντοπισμός βιοφωταυγούς γαλακτερής θάλασσας από το διάστημα

2019-01-31T20:15:47Z

Pmagdaleneio:

''D. Miller, Steven H. D. Haddock, Christopher D. Elvidge, and Thomas F. Lee. '''Detection of a bioluminescent milky sea from space Steven'''''

[https://www.pnas.org/content/102/40/14181.full Πηγή]

== Περίληψη ==

Συχνά αναφερόμενες στην λαϊκή ναυτική αφήγηση, σουρεαλιστικές νυχτερινές εμφανίσεις, όπου η θαλάσσια επιφάνεια δημιουργούσε μια εκτενής, ομοιόμορφη και διαρκής λάμψη που εκτεινόνταν έως τον ορίζοντα προς όλες τις κατευθύνσεις, οι επονομαζόμενες γαλακτερές θάλασσες εικάζεται να είναι ενδείξεις μιας ασυνήθιστης βιοφωταυγείας που παράγεται από αποικίες βακτηριδίων σε σύνδεση με εκρήξη μικροαλγών στα επιφανειακά νερά. Εξαιτίας της εφήμερης φύσης τους και της έλλειψης επιστημονικών παρατηρήσεων, μια εξήγηση του φαινομένου έχει παραμείνει ασαφής. Στην πρώτη δορυφορική παρατηρήση του, το φαινομένου εμφανίζεται σεμια έκταση περίπου 15,400 km2 του Βορειοδυτικού Ινδικού Ωκεανού, κατά την διάρκεια τριών διαδοχικών νυχτών, έχοντας επιβεβαιωθεί την πρώτη νύχτα από το παρεβρισκόμενο πλοίο SS Lima. Αυτή η απροσδόκητη εφαρμογή της τηλεπισκόπησης παρείχε γνώση σχετικά με τον σχηματισμό και την κλίμακα αυτών των περιορισμένα κατανοητών φαινομένων.

'''Βακτηριδιακή βιοφωταύγεια|μικροβιακή οικολογία'''

[[Εικόνα:pipinimbiolumiimage01.jpg|thumb|right|Εικόνα 1 Περιοχές μελέτης (πάνω) που αντιστοιχούν στις αφιλτράριστες (A-C) και φλιτραρισμένες δορυφορικές απεικονίσεις την νύχτα της παρατήρησης του SS Lima. (Α και D) 25/01/1995 1836 GMT (B και Ε) 26/01/1995 1804 GMT (C και F) 27/01/1995 1725 GMT. Τα βέλη στην F δείχνουν πλασματικές παρατηρήσεις που οφείλονται στον χαμηλό λόγο σήματος – θορύβου. Στην D φαίνεται απεικονίζεται ο διάπλους του SS Lima (διακεκομένη γραμμή) και οι θέσης της πρώτης θέασης (σημείο a) και της εξόδου από την γαλακτερή θάλασσα (σημείο b), βάσει των λεπτομερών αναφορών του πλοίου.]]

[[Εικόνα:pipinimbiolumiimage02.jpg|thumb|right|Εικόνα 2 Εργαστηριακή εκπομπή φάσματος βιοφωταυγών βακτηριδίων (μαύρο) συγκρινόμενη με συναρτήσεις φασματικής απόκρισης. Τα δεδομένα δείχνονται από το νυχτερινό ορατό κανάλι OLS του προγράμματος U.S. Defense Meteorological Satellite Program – του αισθητήρα που χρησιμοποιείται στην μελέτη – (A) και του προτεινόμενου ημερίσιου/νυχτερινού καναλιού του National Polar-orbiting Operational Environmental Satellite System VisibleInfrared ImagerRadiometer Suite (Β). Οι επικαλυπτόμενες περιοχές δείχνονται με γκρί.]]

== Εισαγωγή ==

Αν και έχουν παρατηρηθεί από ναυτικούς από τον 17ο αι., οι γαλακτερές θάλασσες έχουν ξεγλιστρήσει από την επιστημονικη έρευνα, με την εξαίρεση μιας επιτόπιας επιστημονικής παρατήρησης, όπου εκτίμηθηκε ότι η εκπομπή φωτός οφείλεται στα φωταυγή βακτηρίδια (Vibrio harveyi) που ζουν σε σύνδεση με τα μικροάλγη Phaeocystis. Παρόλα αυτά, λεπτομέρειες για τους μηχανισμούς σχηματισμού, την χωρική εξάπλωση, την παγκόσμια διασπορά, την εποχιακή διακύμανση και την οικολογική επίδραση των γαλακτερών θαλαρών παραμένουν σχεδόν παντελώς άγνωστες.
Από 235 ντοκουμένα σε ναυτικά ημερολόγια (υποκείμενα, όπως είναι φυσικό, στην ανθρώπινη αντίληψη και την λαϊκή ερμηνεία) γνωρίζουμε ότι μια τυπική γαλακτερή θάλασσα (ορατή μόνο την νύχτα) λάμπει συνεχόμενα πάνω από μια εκτενής περιοχή, είναι ανεξάρτητη από τον άνεμο, διαρκεί από μερικές ώρες έως μερικές μέρες, και μπορεί να συνδέεται με ωκεανογραφικά μέτωπα ή βιολογικα slicks. Το μεγαλύτερο μέρος των επεισοδίων (171) έχει καταγραφεί στον βορειοδυτικό Ινδικό ωκεανό, και ένα αξιόλογο στην Java της Ινδονησίας. Αν και οι παρατηρήσεις αφορούν σε ενεργούς θαλάσσιους δρόμους, δεν υπάρχουν αντίστοιχες για άλλες πολυσύχναστες περιοχές.
Μόνο δύο είδη φωτεινών οργανισμών θεωρούνται αιτιολογημένοι υποψήφιοι αυτής της εκπομπής: dinoflagellates και τα βακτήρια. Τα πρώτα, λόγω του τύπου φωταύγειας τους (ως απόκριση σε μηχανική διαταραχή, π.χ. θραυόμενος κυματισμός) θεωρούνται σχεδόν απίθανο να δώσουν διεγέρσεις που μπορούν να εντοπισθούν τηλεπισκοπικά. Τα δε φωτεινά βακτήρια, αν και μπορουν να εκπέμπουν μια διαρκές αλλά θαμπή λάμψη που μπορεί να διαρκέσει για πολλές μέρες κάτω από κατάλληλες συνθήκες, ελεύθερα είναι δύσκολο να προκαλέσουν σε γαλακτερές θάλασσες (λόγω του φαινομένου της αυτεπαγωγής, quorum sensing). H εκτιμώμενη σύνδεση των φωτεινών βακτηριδίων με αποικίες Phaeocystis (που λειτουργούν ως υπόστρωμα) θα παρείχε τέτοιες συνθήκες, ώστε ο πληθυσμός των φωτεινών βακτηρίων να μπορεί να εκπέμπει συνεχόμενα σε μια συχνότητα για παράδειγμα των 103 φωτονίων ανά sec ανά κύταρρο.

== Εργαλεία και Μέθοδοι ==

Αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε δεδομένα από Αμυντικό Μετεωρολογικό Δορυφορικό Πρόγραμμα της ΗΠΑ. Οι δορυφόροι του συστήματος OLS σε ύψος 833 km, πολικής περιστροφής, είναι σχεδιασμένοι να καταγράφουν την παγκόσμια νέφωση σε ηλιακό και σεληνιακό φωτισμό. Για τις νυχτερινές παρατηρήσεις, το σύστημα OLS χρησιμοποιεί έναν φωτοπολλαπλασιαστικό αγωγό για την συλλογή ακτινοβολίας στο φάσμα του ορατού και του εγγύς υπέρυθρου με ευαισθησία τεσσάρων τάξεων μεγαλύτερη από συμβατικούς ανιχνευτές, όπως αυτοί των προγραμμάτων AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) και Landsat Thematic Mapper. H γήινη εικόνα δημιουργείται μέσω ενός ταλαντευόμενου προτύπου σάρωσης, μέσο του εδαφικού ίχνους. Ένας σταθερός ρυθμός δείγματος και η μηχανική σμύκρινση του διαφράγματος ηλεκτρονίων PMT για το έξω τέταρτο κάθε γραμμής σάρωσης οδήγησε σε περίπου ίση περιοχή pixel (~2.8km) κατά μήκος του πλάτους 3,000 km της λωρίδας. Παρότι το νυχτερινό κανάλι VNIR παρέχει εξαιρετική πληροφορία αντίθεσης (contrast) σε μεγάλο δυναμικό εύρος, περιορίζεται από αδρή ραδιομετρική ανάλυση (ποσοτικοποίηση 8 – bit) και στερείται βαθμονόμησης. Επιπρόσθετα της καταγραφής της σεληνιακής αντανάκλασης, η ικανότητα δημιουργία εικόνας σε περιορισμένο φώς έχει χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό εδαφικών και ατμοσφαιρικών πηγών εκπομπών, όπως φωτιές, κεραυνούς και ανθρώπινη δραστηριότητα ανά τον κόσμο. Δεν υπάρχουν προτείτερες αναφορές της ικανότητας του OLS να εντοπίσει γαλακτερές θάλασσες ή άλλη βιοφωταυγεία.
Για να βελτιωθεί η οπτική αντίθεση μεταξύ της συνεκτικού πλέγματος εκπομπών γαλακτερής θάλασσας και του θορύβου βάθους του οργάνου, τα δεδομένα OLS – VNIR ενισχύθηκαν ψηφιακά. Πρώτον, η μέση ένταση της κάθε γραμμής σάρωσης αφαιρείται για να μειώθούν οι μεταβολές στην στάθμη του ηλεκτρικού θορύβου. Για να μειωθέι ο θόρυβος των λυχνιών φωτοπολλαπλασιασμού, ενα φίλτρο 3 – pixel εφαρμόσθηκε στην κατεύθυνση της σάρωσης. Αν τουλάχιστον 2 pixel υπέρβαίναν το κατώφλι ( που ορίζεται στο ~5% του βαθμού κορεσμού του ανιχνευτή), τότε και τα 3 pixel ορίζονταν στην τιμή κορεσμού, διαφορετικά και τα 3 pixel ορίζονταν στο 0. Αυτή η διαδικασία επαναλαμβανόταν σε μια κατα μήκος διεύθυνση. Τέλος, ενα φίλτρο 8 – pixel εφαρμόζεται,και τα δεδομένα εξισσοροπούνται βάσει του ιστογραφήματος. Η ενίσχυση οδηγεί στην συγκέντρωση των συνεκτικών στοιχείων και στην απόκρυψη του τυχαίου θορύβου.
Παράλληλα, για την καταγραφή του φάσματος εκπομπών των βακτηριδίων, αναπτύχθηκε εργαστηριακά πληθυσμός του είδους Vibrio fischeri, το οποίο θεωρείται υπέυθυνο για το φαινόμενο της γαλακτερής θάλλασας . (Τα φάσματα εκπομπών που έχουν καταγράφηκε για πολλά διαφορετικά είδη από φωταυγή βακτήρια δίνουν τιμές αιχμής στα 490 nm και ήμισυ του ζωνικού εύρους 70 nm). Σε αυτό το σημείο, επισημαίνεται ότι το φάσμα των βακτηριδίων δεν υπερκαλύπτει πλήρως αυτή την συνάρτηση απόκρισης του αισθητήρα του ανιχνευτή, μόνο ένα τμήμα του συνολικού εκπεμπόμενου φωτός θα εντοπισθεί, που σημαίνει ότι τα βακτηρίδια πρέπει να παράγουν περισσότερο φως από το ελάχιστο ονομαστικό ανισχεύσιμο σήμα του οργάνου (MSD) για να εντοπισθούν. Για αυτό τον λόγο, εκτιμάται υπολογιστικά ένα ποσοστό του κανονικοποιημένου φάσματος εκπομπής των βακτηριδίων που ανιχνεύεται από τον δορυφορικό αισθητήρα, με το οποίο διαιρείται το ονομαστικό ανιχνεύσιμο σήμα του οργάνου για να προκύψει ένα κατώφλι βακτηριδιακής ακτινοβολίας πάνω από το οποίο επιτυγχάνεται η δορυφορική ανίχνευση. Για ένα επίπεδo εκπομπών κοντά στην επιφάνεια (με την σκέδαση μέσα στο νερό και την απορρόφηση να αγνοείται) και για ένα εκτιμώμενο βαθμό παραγωγής φωτονίων ανά κύτταρο, εκτιμήθηκε ο ελάχιστος βακτηριδιακός πληθυσμός που απαιτείται για να παράξει το κατώφλι ανίχνευσης. Στην συνέχεια με δεδομένη την έκταση του φαινομένου όπως καταγράφηκε από τον δορυφόρο, υπολογίσθηκε μια συνολικός πληθυσμός βακτηριδιακών κυττάρων συντηρητικά βάσει του ελάχιστου βακτηριδιακού πληθυσμού.

== Αποτελέσματα και συζήτηση ==

Ο τηλεπισκοπικός εντοπισμός ενος σχετικά ασθενούς φωτεινού σήματος όπως το βιοφωταυγές εξαρτάται από την χωρική έκταση, την ομοιογένεια, και το αποτέλεσμα της ατμοσφαιρικής εξασθένισης και απαιτεί την απουσία φωτεινής ρύπανσης από άλλες πηγές. Εξετάσθηκε αρχείο αναφορών πλοίων στο φαινόμενο από το 1992, το οποίο αντιστοιχούσε σε διαθέσιμα δορυφορικά δεδομένα OLS, για κάποια με ευνοϊκές συνθήκες εντοπισμού Από την διαδικασία αυτή επιλέχθηκε το μελετώμενο περιστατικό.
Η ανεπεξέργαστη νυχτερινή απεικόνιση στο ορατό OLS, η οποία συμπίπτει κατά μια μιση ώρα στην επιτόπια παρατήρηση, καταδεικνύει την παρουσία ενός μεγάλου, φωτεινού στοιχείου κοντά στην τοποθεσία, που παραμένει για τις ακόλουθες δύο νύχτες. Η ψηφιακή ενίσχυση και το φιλτράρισμα της εικόνας απομονώνουν περισσότερο το συνεκτικό στοιχείο από τον θόρυβο βάθους. Οι θέσεις πορείας του πλοίου (η θέση κατά την είσοδο και κατά την έξοδο από την γαλακτερή θάλασσα) έχουν στενή αντιστοιχία με τα όρια του αντικειμένου της δορυφορικής παρατήρησης.
Η δορυφορική οπτική αποκαλύπτει ότι το φαινόμενο καταλαμβάνει έκταση τουλάχιστον 15,400km2 στις 25 Ιανουαρίου 1995 και επεκτείνεται σε έκταση > 17,700 km2 την επόμενη μέρα. Η παραμονή του φαινομένου για πολλές μέρες είναι συνεπής με προηγούμενα ευρήματα και επιτρέπει την εξέταση της χωρικής εξέλιξης σε σύνδεση με την τοπικά θαλλάσια ρεύματα. Η παρατηρούμενη μεταφορά και περιστροφή της φωτεινής δομής για τρεις νύχτες ήταν συνεπής με μια δίνη ψυχρού πυρήνα από την μοντελοποίηση των ωκεάνιων ρευμάτων. Οι συνθήκες που διαπιστώθηκαν (παρουσία ψυχρών δινών και υποθαλλάσια δάση kelp) προτιμώνται από αποικίες φωτοπλαγκτόν, οι οποίες όντας σε ανάπτυξη μπορούν να προσφέρουν ένα υπόστρωμα για τον εποικισμό απο φωταυγή βακτήρια.
Για να αξιολογήσουμε τις απαιτήσεις εκπομπών βάση της υπόθεσης βακτηριακής πηγής, συγκρίναμε την φασματική ευαισθησία του δορυφορικού αισθητήρα με το φάσμα εκπομπών των βακτηριδίων. H απόδοση της ανίχνευσης, όπως εκτιμήθηκε στο 22%, δίνει κατώφλι ακτινοβολίας των εκπομπών των βακτηριδίων 1.8 Χ 10-4 W/m2/sr. Ο δορυφορικά ανιχνεύσιμος ελάχιστος πληθυσμός βακτηριδίων στην υδάτινη στήλη εκτιμάται σε 2,8 X108 κύτταρα/cm2. Βάσει της κάλυψης που εκτιμάται από την δορυφορική εικόνα, ο συνολικός πληθυσμός στην παρατηρημένη γαλακτερή θάλασσα εκτιμάται προσεγγιστικά σε 4x1022 βακτηριδιακά κύτταρα.
Η επόμενη γενία αισθητήρων χαμηλής φωτεινότητας, όπως εκπροσωπείται από το ημερίσιο/νυχτερινό κανάλι του συστήματος NPOESS (βλέπε Εικόνα 2 Β), προσφέρει την δυνατότητα βελτιωμένης ικανότητας παρατήρησης σε χαμηλό φωτισμό μέσω βελτιωμένου δυναμικού εύρους, υψηλότερο ποσοστό σήματος - θορύβου, βαθμονομημένα δεδομένα, υψηλότερη ραδιομετρική ανάλυση, καλύτερη χρονική ευκρίνεια και συμπληρωματική φασματική πληροφορία από άλλα κανάλια ραδιομετρικά και του ορατού/υπέρυθρου. Ο περιορισμός όμως της ευαισθησίας του σύμφωνα με τον παρόν σχεδιασμό στα μικρά μήκη κύματος το καθιστά λιγότερο κατάλληλο για την καταγραφή των μπλέ – πράσινων βιοφωταυγών εκπομπών. Κατά την προτεινόμενη φασματική συνάρτηση απόκρισης, το κατώφλι ακτινοβολίας εντοπισμού αυξάνεται στα 3.5 Χ 10-4 W/m2/sr (περίπου το ήμισυ της ευαισθησίας του παρόντος συστήματος OLS – VNIR). Δεδομένης της επιδεδειγμένης ικανότητας του να εντοπίζει ένα σπάνιο βιολογικό φαινόμενο και λαμβάνοντας υπόψιν την εμφανή εγγύτητα αυτών των σημάτων στο ελάχιστο ανιχνεύσιμο σήμα του αισθητήρα, ίσως αξίζει να διατηρηθεί η φασματική απόκριση στα μικρά μήκη κύματος του συστήματος.
Μια σπάνια ευκαιρία να αντιστοιχηθούν δορυφορικές παρατηρήσεις αισθητήρα χαμηλού φωτισμού με επιφανειακές αναφορές απέδωσε τις πρώτες δορυφορικές μετρήσεις βιοφωταύγειας από μια γαλακτερή θάλασσα. H τηλεπισκόπηση μπορεί να αποτελέσει το μόνο εφικτό μέσο εντοπισμού αυτής της υπεκφεύγουσας μορφής θαλάσσιας φωταύγειας. Για παράδειγμα, η αναπτυσσόμενες ημερίσιες τεχνικές τηλεπισκόπησης στην αποτίμηση της φυσιολογίας του φυτοπλαγκτού μπορεί να βοηθήσει στον προσδιορισμό περιοχών προτεραιότητας. Στην συνέχεια, η επιβεβαίωση παρουσίας του φαινομένου τηλεπισκοπικά θα επιτρέψει την προσέγγιση από εξειδικευμένη αποστολή παρατήρησης. Η συνδυασμένη παρατήρηση θα μας επιτρέψει να κατανοήσουμε καλύτερα τον ρόλο, την συμπεριφορά και της περιβαλλοντικές επιδράσεις των γαλακτερών θαλασσών, ενός μακροχρόνιου μυστηρίου της θαλασσινής παράδοσης.

[[category:Οικολογία]]

Αρχείο:Pipinimbiolumiimage02.jpg

2019-01-31T20:14:59Z

Pmagdaleneio: Εργαστηριακή εκπομπή φάσματος βιοφωταυγών βακτηριδίων (μαύρο) συγκρινόμενη με συναρτήσεις φασματικής απόκρισης. Τα δεδομένα δείχνονται α

Εργαστηριακή εκπομπή φάσματος βιοφωταυγών βακτηριδίων (μαύρο) συγκρινόμενη με συναρτήσεις φασματικής απόκρισης. Τα δεδομένα δείχνονται από το νυχτερινό ορατό κανάλι OLS του προγράμματος U.S. Defense Meteorological Satellite Program – του αισθητήρα που χρησιμοποιείται στην μελέτη – (A) και του προτεινόμενου ημερίσιου/νυχτερινού καναλιού του National Polar-orbiting Operational Environmental Satellite System VisibleInfrared ImagerRadiometer Suite (Β). Οι επικαλυπτόμενες περιοχές δείχνονται με γκρί.

Αρχείο:Pipinimbiolumiimage01.jpg

2019-01-31T20:13:57Z

Pmagdaleneio:

Εντοπισμός βιοφωταυγούς γαλακτερής θάλασσας από το διάστημα

2019-01-31T20:12:46Z

Pmagdaleneio:

''D. Miller, Steven H. D. Haddock, Christopher D. Elvidge, and Thomas F. Lee. '''Detection of a bioluminescent milky sea from space Steven'''''

[https://www.pnas.org/content/102/40/14181.full Πηγή]

== Περίληψη ==

Συχνά αναφερόμενες στην λαϊκή ναυτική αφήγηση, σουρεαλιστικές νυχτερινές εμφανίσεις, όπου η θαλάσσια επιφάνεια δημιουργούσε μια εκτενής, ομοιόμορφη και διαρκής λάμψη που εκτεινόνταν έως τον ορίζοντα προς όλες τις κατευθύνσεις, οι επονομαζόμενες γαλακτερές θάλασσες εικάζεται να είναι ενδείξεις μιας ασυνήθιστης βιοφωταυγείας που παράγεται από αποικίες βακτηριδίων σε σύνδεση με εκρήξη μικροαλγών στα επιφανειακά νερά. Εξαιτίας της εφήμερης φύσης τους και της έλλειψης επιστημονικών παρατηρήσεων, μια εξήγηση του φαινομένου έχει παραμείνει ασαφής. Στην πρώτη δορυφορική παρατηρήση του, το φαινομένου εμφανίζεται σεμια έκταση περίπου 15,400 km2 του Βορειοδυτικού Ινδικού Ωκεανού, κατά την διάρκεια τριών διαδοχικών νυχτών, έχοντας επιβεβαιωθεί την πρώτη νύχτα από το παρεβρισκόμενο πλοίο SS Lima. Αυτή η απροσδόκητη εφαρμογή της τηλεπισκόπησης παρείχε γνώση σχετικά με τον σχηματισμό και την κλίμακα αυτών των περιορισμένα κατανοητών φαινομένων.

'''Βακτηριδιακή βιοφωταύγεια|μικροβιακή οικολογία'''

[[Εικόνα:pipinimbiolumiimage01|thumb|right|Εικόνα 1 Περιοχές μελέτης (πάνω) που αντιστοιχούν στις αφιλτράριστες (A-C) και φλιτραρισμένες δορυφορικές απεικονίσεις την νύχτα της παρατήρησης του SS Lima. (Α και D) 25/01/1995 1836 GMT (B και Ε) 26/01/1995 1804 GMT (C και F) 27/01/1995 1725 GMT. Τα βέλη στην F δείχνουν πλασματικές παρατηρήσεις που οφείλονται στον χαμηλό λόγο σήματος – θορύβου. Στην D φαίνεται απεικονίζεται ο διάπλους του SS Lima (διακεκομένη γραμμή) και οι θέσης της πρώτης θέασης (σημείο a) και της εξόδου από την γαλακτερή θάλασσα (σημείο b), βάσει των λεπτομερών αναφορών του πλοίου.]]

[[Εικόνα:pipinimbiolumiimage02|thumb|right|Εικόνα 2 Εργαστηριακή εκπομπή φάσματος βιοφωταυγών βακτηριδίων (μαύρο) συγκρινόμενη με συναρτήσεις φασματικής απόκρισης. Τα δεδομένα δείχνονται από το νυχτερινό ορατό κανάλι OLS του προγράμματος U.S. Defense Meteorological Satellite Program – του αισθητήρα που χρησιμοποιείται στην μελέτη – (A) και του προτεινόμενου ημερίσιου/νυχτερινού καναλιού του National Polar-orbiting Operational Environmental Satellite System VisibleInfrared ImagerRadiometer Suite (Β). Οι επικαλυπτόμενες περιοχές δείχνονται με γκρί.]]

== Εισαγωγή ==

Αν και έχουν παρατηρηθεί από ναυτικούς από τον 17ο αι., οι γαλακτερές θάλασσες έχουν ξεγλιστρήσει από την επιστημονικη έρευνα, με την εξαίρεση μιας επιτόπιας επιστημονικής παρατήρησης, όπου εκτίμηθηκε ότι η εκπομπή φωτός οφείλεται στα φωταυγή βακτηρίδια (Vibrio harveyi) που ζουν σε σύνδεση με τα μικροάλγη Phaeocystis. Παρόλα αυτά, λεπτομέρειες για τους μηχανισμούς σχηματισμού, την χωρική εξάπλωση, την παγκόσμια διασπορά, την εποχιακή διακύμανση και την οικολογική επίδραση των γαλακτερών θαλαρών παραμένουν σχεδόν παντελώς άγνωστες.
Από 235 ντοκουμένα σε ναυτικά ημερολόγια (υποκείμενα, όπως είναι φυσικό, στην ανθρώπινη αντίληψη και την λαϊκή ερμηνεία) γνωρίζουμε ότι μια τυπική γαλακτερή θάλασσα (ορατή μόνο την νύχτα) λάμπει συνεχόμενα πάνω από μια εκτενής περιοχή, είναι ανεξάρτητη από τον άνεμο, διαρκεί από μερικές ώρες έως μερικές μέρες, και μπορεί να συνδέεται με ωκεανογραφικά μέτωπα ή βιολογικα slicks. Το μεγαλύτερο μέρος των επεισοδίων (171) έχει καταγραφεί στον βορειοδυτικό Ινδικό ωκεανό, και ένα αξιόλογο στην Java της Ινδονησίας. Αν και οι παρατηρήσεις αφορούν σε ενεργούς θαλάσσιους δρόμους, δεν υπάρχουν αντίστοιχες για άλλες πολυσύχναστες περιοχές.
Μόνο δύο είδη φωτεινών οργανισμών θεωρούνται αιτιολογημένοι υποψήφιοι αυτής της εκπομπής: dinoflagellates και τα βακτήρια. Τα πρώτα, λόγω του τύπου φωταύγειας τους (ως απόκριση σε μηχανική διαταραχή, π.χ. θραυόμενος κυματισμός) θεωρούνται σχεδόν απίθανο να δώσουν διεγέρσεις που μπορούν να εντοπισθούν τηλεπισκοπικά. Τα δε φωτεινά βακτήρια, αν και μπορουν να εκπέμπουν μια διαρκές αλλά θαμπή λάμψη που μπορεί να διαρκέσει για πολλές μέρες κάτω από κατάλληλες συνθήκες, ελεύθερα είναι δύσκολο να προκαλέσουν σε γαλακτερές θάλασσες (λόγω του φαινομένου της αυτεπαγωγής, quorum sensing). H εκτιμώμενη σύνδεση των φωτεινών βακτηριδίων με αποικίες Phaeocystis (που λειτουργούν ως υπόστρωμα) θα παρείχε τέτοιες συνθήκες, ώστε ο πληθυσμός των φωτεινών βακτηρίων να μπορεί να εκπέμπει συνεχόμενα σε μια συχνότητα για παράδειγμα των 103 φωτονίων ανά sec ανά κύταρρο.

== Εργαλεία και Μέθοδοι ==

Αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε δεδομένα από Αμυντικό Μετεωρολογικό Δορυφορικό Πρόγραμμα της ΗΠΑ. Οι δορυφόροι του συστήματος OLS σε ύψος 833 km, πολικής περιστροφής, είναι σχεδιασμένοι να καταγράφουν την παγκόσμια νέφωση σε ηλιακό και σεληνιακό φωτισμό. Για τις νυχτερινές παρατηρήσεις, το σύστημα OLS χρησιμοποιεί έναν φωτοπολλαπλασιαστικό αγωγό για την συλλογή ακτινοβολίας στο φάσμα του ορατού και του εγγύς υπέρυθρου με ευαισθησία τεσσάρων τάξεων μεγαλύτερη από συμβατικούς ανιχνευτές, όπως αυτοί των προγραμμάτων AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) και Landsat Thematic Mapper. H γήινη εικόνα δημιουργείται μέσω ενός ταλαντευόμενου προτύπου σάρωσης, μέσο του εδαφικού ίχνους. Ένας σταθερός ρυθμός δείγματος και η μηχανική σμύκρινση του διαφράγματος ηλεκτρονίων PMT για το έξω τέταρτο κάθε γραμμής σάρωσης οδήγησε σε περίπου ίση περιοχή pixel (~2.8km) κατά μήκος του πλάτους 3,000 km της λωρίδας. Παρότι το νυχτερινό κανάλι VNIR παρέχει εξαιρετική πληροφορία αντίθεσης (contrast) σε μεγάλο δυναμικό εύρος, περιορίζεται από αδρή ραδιομετρική ανάλυση (ποσοτικοποίηση 8 – bit) και στερείται βαθμονόμησης. Επιπρόσθετα της καταγραφής της σεληνιακής αντανάκλασης, η ικανότητα δημιουργία εικόνας σε περιορισμένο φώς έχει χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό εδαφικών και ατμοσφαιρικών πηγών εκπομπών, όπως φωτιές, κεραυνούς και ανθρώπινη δραστηριότητα ανά τον κόσμο. Δεν υπάρχουν προτείτερες αναφορές της ικανότητας του OLS να εντοπίσει γαλακτερές θάλασσες ή άλλη βιοφωταυγεία.
Για να βελτιωθεί η οπτική αντίθεση μεταξύ της συνεκτικού πλέγματος εκπομπών γαλακτερής θάλασσας και του θορύβου βάθους του οργάνου, τα δεδομένα OLS – VNIR ενισχύθηκαν ψηφιακά. Πρώτον, η μέση ένταση της κάθε γραμμής σάρωσης αφαιρείται για να μειώθούν οι μεταβολές στην στάθμη του ηλεκτρικού θορύβου. Για να μειωθέι ο θόρυβος των λυχνιών φωτοπολλαπλασιασμού, ενα φίλτρο 3 – pixel εφαρμόσθηκε στην κατεύθυνση της σάρωσης. Αν τουλάχιστον 2 pixel υπέρβαίναν το κατώφλι ( που ορίζεται στο ~5% του βαθμού κορεσμού του ανιχνευτή), τότε και τα 3 pixel ορίζονταν στην τιμή κορεσμού, διαφορετικά και τα 3 pixel ορίζονταν στο 0. Αυτή η διαδικασία επαναλαμβανόταν σε μια κατα μήκος διεύθυνση. Τέλος, ενα φίλτρο 8 – pixel εφαρμόζεται,και τα δεδομένα εξισσοροπούνται βάσει του ιστογραφήματος. Η ενίσχυση οδηγεί στην συγκέντρωση των συνεκτικών στοιχείων και στην απόκρυψη του τυχαίου θορύβου.
Παράλληλα, για την καταγραφή του φάσματος εκπομπών των βακτηριδίων, αναπτύχθηκε εργαστηριακά πληθυσμός του είδους Vibrio fischeri, το οποίο θεωρείται υπέυθυνο για το φαινόμενο της γαλακτερής θάλλασας . (Τα φάσματα εκπομπών που έχουν καταγράφηκε για πολλά διαφορετικά είδη από φωταυγή βακτήρια δίνουν τιμές αιχμής στα 490 nm και ήμισυ του ζωνικού εύρους 70 nm). Σε αυτό το σημείο, επισημαίνεται ότι το φάσμα των βακτηριδίων δεν υπερκαλύπτει πλήρως αυτή την συνάρτηση απόκρισης του αισθητήρα του ανιχνευτή, μόνο ένα τμήμα του συνολικού εκπεμπόμενου φωτός θα εντοπισθεί, που σημαίνει ότι τα βακτηρίδια πρέπει να παράγουν περισσότερο φως από το ελάχιστο ονομαστικό ανισχεύσιμο σήμα του οργάνου (MSD) για να εντοπισθούν. Για αυτό τον λόγο, εκτιμάται υπολογιστικά ένα ποσοστό του κανονικοποιημένου φάσματος εκπομπής των βακτηριδίων που ανιχνεύεται από τον δορυφορικό αισθητήρα, με το οποίο διαιρείται το ονομαστικό ανιχνεύσιμο σήμα του οργάνου για να προκύψει ένα κατώφλι βακτηριδιακής ακτινοβολίας πάνω από το οποίο επιτυγχάνεται η δορυφορική ανίχνευση. Για ένα επίπεδo εκπομπών κοντά στην επιφάνεια (με την σκέδαση μέσα στο νερό και την απορρόφηση να αγνοείται) και για ένα εκτιμώμενο βαθμό παραγωγής φωτονίων ανά κύτταρο, εκτιμήθηκε ο ελάχιστος βακτηριδιακός πληθυσμός που απαιτείται για να παράξει το κατώφλι ανίχνευσης. Στην συνέχεια με δεδομένη την έκταση του φαινομένου όπως καταγράφηκε από τον δορυφόρο, υπολογίσθηκε μια συνολικός πληθυσμός βακτηριδιακών κυττάρων συντηρητικά βάσει του ελάχιστου βακτηριδιακού πληθυσμού.

== Αποτελέσματα και συζήτηση ==

Ο τηλεπισκοπικός εντοπισμός ενος σχετικά ασθενούς φωτεινού σήματος όπως το βιοφωταυγές εξαρτάται από την χωρική έκταση, την ομοιογένεια, και το αποτέλεσμα της ατμοσφαιρικής εξασθένισης και απαιτεί την απουσία φωτεινής ρύπανσης από άλλες πηγές. Εξετάσθηκε αρχείο αναφορών πλοίων στο φαινόμενο από το 1992, το οποίο αντιστοιχούσε σε διαθέσιμα δορυφορικά δεδομένα OLS, για κάποια με ευνοϊκές συνθήκες εντοπισμού Από την διαδικασία αυτή επιλέχθηκε το μελετώμενο περιστατικό.
Η ανεπεξέργαστη νυχτερινή απεικόνιση στο ορατό OLS, η οποία συμπίπτει κατά μια μιση ώρα στην επιτόπια παρατήρηση, καταδεικνύει την παρουσία ενός μεγάλου, φωτεινού στοιχείου κοντά στην τοποθεσία, που παραμένει για τις ακόλουθες δύο νύχτες. Η ψηφιακή ενίσχυση και το φιλτράρισμα της εικόνας απομονώνουν περισσότερο το συνεκτικό στοιχείο από τον θόρυβο βάθους. Οι θέσεις πορείας του πλοίου (η θέση κατά την είσοδο και κατά την έξοδο από την γαλακτερή θάλασσα) έχουν στενή αντιστοιχία με τα όρια του αντικειμένου της δορυφορικής παρατήρησης.
Η δορυφορική οπτική αποκαλύπτει ότι το φαινόμενο καταλαμβάνει έκταση τουλάχιστον 15,400km2 στις 25 Ιανουαρίου 1995 και επεκτείνεται σε έκταση > 17,700 km2 την επόμενη μέρα. Η παραμονή του φαινομένου για πολλές μέρες είναι συνεπής με προηγούμενα ευρήματα και επιτρέπει την εξέταση της χωρικής εξέλιξης σε σύνδεση με την τοπικά θαλλάσια ρεύματα. Η παρατηρούμενη μεταφορά και περιστροφή της φωτεινής δομής για τρεις νύχτες ήταν συνεπής με μια δίνη ψυχρού πυρήνα από την μοντελοποίηση των ωκεάνιων ρευμάτων. Οι συνθήκες που διαπιστώθηκαν (παρουσία ψυχρών δινών και υποθαλλάσια δάση kelp) προτιμώνται από αποικίες φωτοπλαγκτόν, οι οποίες όντας σε ανάπτυξη μπορούν να προσφέρουν ένα υπόστρωμα για τον εποικισμό απο φωταυγή βακτήρια.
Για να αξιολογήσουμε τις απαιτήσεις εκπομπών βάση της υπόθεσης βακτηριακής πηγής, συγκρίναμε την φασματική ευαισθησία του δορυφορικού αισθητήρα με το φάσμα εκπομπών των βακτηριδίων. H απόδοση της ανίχνευσης, όπως εκτιμήθηκε στο 22%, δίνει κατώφλι ακτινοβολίας των εκπομπών των βακτηριδίων 1.8 Χ 10-4 W/m2/sr. Ο δορυφορικά ανιχνεύσιμος ελάχιστος πληθυσμός βακτηριδίων στην υδάτινη στήλη εκτιμάται σε 2,8 X108 κύτταρα/cm2. Βάσει της κάλυψης που εκτιμάται από την δορυφορική εικόνα, ο συνολικός πληθυσμός στην παρατηρημένη γαλακτερή θάλασσα εκτιμάται προσεγγιστικά σε 4x1022 βακτηριδιακά κύτταρα.
Η επόμενη γενία αισθητήρων χαμηλής φωτεινότητας, όπως εκπροσωπείται από το ημερίσιο/νυχτερινό κανάλι του συστήματος NPOESS (βλέπε Εικόνα 2 Β), προσφέρει την δυνατότητα βελτιωμένης ικανότητας παρατήρησης σε χαμηλό φωτισμό μέσω βελτιωμένου δυναμικού εύρους, υψηλότερο ποσοστό σήματος - θορύβου, βαθμονομημένα δεδομένα, υψηλότερη ραδιομετρική ανάλυση, καλύτερη χρονική ευκρίνεια και συμπληρωματική φασματική πληροφορία από άλλα κανάλια ραδιομετρικά και του ορατού/υπέρυθρου. Ο περιορισμός όμως της ευαισθησίας του σύμφωνα με τον παρόν σχεδιασμό στα μικρά μήκη κύματος το καθιστά λιγότερο κατάλληλο για την καταγραφή των μπλέ – πράσινων βιοφωταυγών εκπομπών. Κατά την προτεινόμενη φασματική συνάρτηση απόκρισης, το κατώφλι ακτινοβολίας εντοπισμού αυξάνεται στα 3.5 Χ 10-4 W/m2/sr (περίπου το ήμισυ της ευαισθησίας του παρόντος συστήματος OLS – VNIR). Δεδομένης της επιδεδειγμένης ικανότητας του να εντοπίζει ένα σπάνιο βιολογικό φαινόμενο και λαμβάνοντας υπόψιν την εμφανή εγγύτητα αυτών των σημάτων στο ελάχιστο ανιχνεύσιμο σήμα του αισθητήρα, ίσως αξίζει να διατηρηθεί η φασματική απόκριση στα μικρά μήκη κύματος του συστήματος.
Μια σπάνια ευκαιρία να αντιστοιχηθούν δορυφορικές παρατηρήσεις αισθητήρα χαμηλού φωτισμού με επιφανειακές αναφορές απέδωσε τις πρώτες δορυφορικές μετρήσεις βιοφωταύγειας από μια γαλακτερή θάλασσα. H τηλεπισκόπηση μπορεί να αποτελέσει το μόνο εφικτό μέσο εντοπισμού αυτής της υπεκφεύγουσας μορφής θαλάσσιας φωταύγειας. Για παράδειγμα, η αναπτυσσόμενες ημερίσιες τεχνικές τηλεπισκόπησης στην αποτίμηση της φυσιολογίας του φυτοπλαγκτού μπορεί να βοηθήσει στον προσδιορισμό περιοχών προτεραιότητας. Στην συνέχεια, η επιβεβαίωση παρουσίας του φαινομένου τηλεπισκοπικά θα επιτρέψει την προσέγγιση από εξειδικευμένη αποστολή παρατήρησης. Η συνδυασμένη παρατήρηση θα μας επιτρέψει να κατανοήσουμε καλύτερα τον ρόλο, την συμπεριφορά και της περιβαλλοντικές επιδράσεις των γαλακτερών θαλασσών, ενός μακροχρόνιου μυστηρίου της θαλασσινής παράδοσης.

[[category:Οικολογία]]

Εντοπισμός βιοφωταυγούς γαλακτερής θάλασσας από το διάστημα

2019-01-31T20:11:50Z

Pmagdaleneio:

''D. Miller, Steven H. D. Haddock, Christopher D. Elvidge, and Thomas F. Lee. '''Detection of a bioluminescent milky sea from space Steven'''''

[https://www.pnas.org/content/102/40/14181.full Πηγή]

== Περίληψη ==

Συχνά αναφερόμενες στην λαϊκή ναυτική αφήγηση, σουρεαλιστικές νυχτερινές εμφανίσεις, όπου η θαλάσσια επιφάνεια δημιουργούσε μια εκτενής, ομοιόμορφη και διαρκής λάμψη που εκτεινόνταν έως τον ορίζοντα προς όλες τις κατευθύνσεις, οι επονομαζόμενες γαλακτερές θάλασσες εικάζεται να είναι ενδείξεις μιας ασυνήθιστης βιοφωταυγείας που παράγεται από αποικίες βακτηριδίων σε σύνδεση με εκρήξη μικροαλγών στα επιφανειακά νερά. Εξαιτίας της εφήμερης φύσης τους και της έλλειψης επιστημονικών παρατηρήσεων, μια εξήγηση του φαινομένου έχει παραμείνει ασαφής. Στην πρώτη δορυφορική παρατηρήση του, το φαινομένου εμφανίζεται σεμια έκταση περίπου 15,400 km2 του Βορειοδυτικού Ινδικού Ωκεανού, κατά την διάρκεια τριών διαδοχικών νυχτών, έχοντας επιβεβαιωθεί την πρώτη νύχτα από το παρεβρισκόμενο πλοίο SS Lima. Αυτή η απροσδόκητη εφαρμογή της τηλεπισκόπησης παρείχε γνώση σχετικά με τον σχηματισμό και την κλίμακα αυτών των περιορισμένα κατανοητών φαινομένων.

'''Βακτηριδιακή βιοφωταύγεια|μικροβιακή οικολογία'''

== Εισαγωγή ==

Αν και έχουν παρατηρηθεί από ναυτικούς από τον 17ο αι., οι γαλακτερές θάλασσες έχουν ξεγλιστρήσει από την επιστημονικη έρευνα, με την εξαίρεση μιας επιτόπιας επιστημονικής παρατήρησης, όπου εκτίμηθηκε ότι η εκπομπή φωτός οφείλεται στα φωταυγή βακτηρίδια (Vibrio harveyi) που ζουν σε σύνδεση με τα μικροάλγη Phaeocystis. Παρόλα αυτά, λεπτομέρειες για τους μηχανισμούς σχηματισμού, την χωρική εξάπλωση, την παγκόσμια διασπορά, την εποχιακή διακύμανση και την οικολογική επίδραση των γαλακτερών θαλαρών παραμένουν σχεδόν παντελώς άγνωστες.
Από 235 ντοκουμένα σε ναυτικά ημερολόγια (υποκείμενα, όπως είναι φυσικό, στην ανθρώπινη αντίληψη και την λαϊκή ερμηνεία) γνωρίζουμε ότι μια τυπική γαλακτερή θάλασσα (ορατή μόνο την νύχτα) λάμπει συνεχόμενα πάνω από μια εκτενής περιοχή, είναι ανεξάρτητη από τον άνεμο, διαρκεί από μερικές ώρες έως μερικές μέρες, και μπορεί να συνδέεται με ωκεανογραφικά μέτωπα ή βιολογικα slicks. Το μεγαλύτερο μέρος των επεισοδίων (171) έχει καταγραφεί στον βορειοδυτικό Ινδικό ωκεανό, και ένα αξιόλογο στην Java της Ινδονησίας. Αν και οι παρατηρήσεις αφορούν σε ενεργούς θαλάσσιους δρόμους, δεν υπάρχουν αντίστοιχες για άλλες πολυσύχναστες περιοχές.
Μόνο δύο είδη φωτεινών οργανισμών θεωρούνται αιτιολογημένοι υποψήφιοι αυτής της εκπομπής: dinoflagellates και τα βακτήρια. Τα πρώτα, λόγω του τύπου φωταύγειας τους (ως απόκριση σε μηχανική διαταραχή, π.χ. θραυόμενος κυματισμός) θεωρούνται σχεδόν απίθανο να δώσουν διεγέρσεις που μπορούν να εντοπισθούν τηλεπισκοπικά. Τα δε φωτεινά βακτήρια, αν και μπορουν να εκπέμπουν μια διαρκές αλλά θαμπή λάμψη που μπορεί να διαρκέσει για πολλές μέρες κάτω από κατάλληλες συνθήκες, ελεύθερα είναι δύσκολο να προκαλέσουν σε γαλακτερές θάλασσες (λόγω του φαινομένου της αυτεπαγωγής, quorum sensing). H εκτιμώμενη σύνδεση των φωτεινών βακτηριδίων με αποικίες Phaeocystis (που λειτουργούν ως υπόστρωμα) θα παρείχε τέτοιες συνθήκες, ώστε ο πληθυσμός των φωτεινών βακτηρίων να μπορεί να εκπέμπει συνεχόμενα σε μια συχνότητα για παράδειγμα των 103 φωτονίων ανά sec ανά κύταρρο.
[[Εικόνα:pipinimbiolumiimage01|thumb|right|Εικόνα 1 Περιοχές μελέτης (πάνω) που αντιστοιχούν στις αφιλτράριστες (A-C) και φλιτραρισμένες δορυφορικές απεικονίσεις την νύχτα της παρατήρησης του SS Lima. (Α και D) 25/01/1995 1836 GMT (B και Ε) 26/01/1995 1804 GMT (C και F) 27/01/1995 1725 GMT. Τα βέλη στην F δείχνουν πλασματικές παρατηρήσεις που οφείλονται στον χαμηλό λόγο σήματος – θορύβου. Στην D φαίνεται απεικονίζεται ο διάπλους του SS Lima (διακεκομένη γραμμή) και οι θέσης της πρώτης θέασης (σημείο a) και της εξόδου από την γαλακτερή θάλασσα (σημείο b), βάσει των λεπτομερών αναφορών του πλοίου.]][[Εικόνα:pipinimbiolumiimage02|thumb|right|Εικόνα 2 Εργαστηριακή εκπομπή φάσματος βιοφωταυγών βακτηριδίων (μαύρο) συγκρινόμενη με συναρτήσεις φασματικής απόκρισης. Τα δεδομένα δείχνονται από το νυχτερινό ορατό κανάλι OLS του προγράμματος U.S. Defense Meteorological Satellite Program – του αισθητήρα που χρησιμοποιείται στην μελέτη – (A) και του προτεινόμενου ημερίσιου/νυχτερινού καναλιού του National Polar-orbiting Operational Environmental Satellite System VisibleInfrared ImagerRadiometer Suite (Β). Οι επικαλυπτόμενες περιοχές δείχνονται με γκρί.]]

== Εργαλεία και Μέθοδοι ==

Αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε δεδομένα από Αμυντικό Μετεωρολογικό Δορυφορικό Πρόγραμμα της ΗΠΑ. Οι δορυφόροι του συστήματος OLS σε ύψος 833 km, πολικής περιστροφής, είναι σχεδιασμένοι να καταγράφουν την παγκόσμια νέφωση σε ηλιακό και σεληνιακό φωτισμό. Για τις νυχτερινές παρατηρήσεις, το σύστημα OLS χρησιμοποιεί έναν φωτοπολλαπλασιαστικό αγωγό για την συλλογή ακτινοβολίας στο φάσμα του ορατού και του εγγύς υπέρυθρου με ευαισθησία τεσσάρων τάξεων μεγαλύτερη από συμβατικούς ανιχνευτές, όπως αυτοί των προγραμμάτων AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) και Landsat Thematic Mapper. H γήινη εικόνα δημιουργείται μέσω ενός ταλαντευόμενου προτύπου σάρωσης, μέσο του εδαφικού ίχνους. Ένας σταθερός ρυθμός δείγματος και η μηχανική σμύκρινση του διαφράγματος ηλεκτρονίων PMT για το έξω τέταρτο κάθε γραμμής σάρωσης οδήγησε σε περίπου ίση περιοχή pixel (~2.8km) κατά μήκος του πλάτους 3,000 km της λωρίδας. Παρότι το νυχτερινό κανάλι VNIR παρέχει εξαιρετική πληροφορία αντίθεσης (contrast) σε μεγάλο δυναμικό εύρος, περιορίζεται από αδρή ραδιομετρική ανάλυση (ποσοτικοποίηση 8 – bit) και στερείται βαθμονόμησης. Επιπρόσθετα της καταγραφής της σεληνιακής αντανάκλασης, η ικανότητα δημιουργία εικόνας σε περιορισμένο φώς έχει χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό εδαφικών και ατμοσφαιρικών πηγών εκπομπών, όπως φωτιές, κεραυνούς και ανθρώπινη δραστηριότητα ανά τον κόσμο. Δεν υπάρχουν προτείτερες αναφορές της ικανότητας του OLS να εντοπίσει γαλακτερές θάλασσες ή άλλη βιοφωταυγεία.
Για να βελτιωθεί η οπτική αντίθεση μεταξύ της συνεκτικού πλέγματος εκπομπών γαλακτερής θάλασσας και του θορύβου βάθους του οργάνου, τα δεδομένα OLS – VNIR ενισχύθηκαν ψηφιακά. Πρώτον, η μέση ένταση της κάθε γραμμής σάρωσης αφαιρείται για να μειώθούν οι μεταβολές στην στάθμη του ηλεκτρικού θορύβου. Για να μειωθέι ο θόρυβος των λυχνιών φωτοπολλαπλασιασμού, ενα φίλτρο 3 – pixel εφαρμόσθηκε στην κατεύθυνση της σάρωσης. Αν τουλάχιστον 2 pixel υπέρβαίναν το κατώφλι ( που ορίζεται στο ~5% του βαθμού κορεσμού του ανιχνευτή), τότε και τα 3 pixel ορίζονταν στην τιμή κορεσμού, διαφορετικά και τα 3 pixel ορίζονταν στο 0. Αυτή η διαδικασία επαναλαμβανόταν σε μια κατα μήκος διεύθυνση. Τέλος, ενα φίλτρο 8 – pixel εφαρμόζεται,και τα δεδομένα εξισσοροπούνται βάσει του ιστογραφήματος. Η ενίσχυση οδηγεί στην συγκέντρωση των συνεκτικών στοιχείων και στην απόκρυψη του τυχαίου θορύβου.
Παράλληλα, για την καταγραφή του φάσματος εκπομπών των βακτηριδίων, αναπτύχθηκε εργαστηριακά πληθυσμός του είδους Vibrio fischeri, το οποίο θεωρείται υπέυθυνο για το φαινόμενο της γαλακτερής θάλλασας . (Τα φάσματα εκπομπών που έχουν καταγράφηκε για πολλά διαφορετικά είδη από φωταυγή βακτήρια δίνουν τιμές αιχμής στα 490 nm και ήμισυ του ζωνικού εύρους 70 nm). Σε αυτό το σημείο, επισημαίνεται ότι το φάσμα των βακτηριδίων δεν υπερκαλύπτει πλήρως αυτή την συνάρτηση απόκρισης του αισθητήρα του ανιχνευτή, μόνο ένα τμήμα του συνολικού εκπεμπόμενου φωτός θα εντοπισθεί, που σημαίνει ότι τα βακτηρίδια πρέπει να παράγουν περισσότερο φως από το ελάχιστο ονομαστικό ανισχεύσιμο σήμα του οργάνου (MSD) για να εντοπισθούν. Για αυτό τον λόγο, εκτιμάται υπολογιστικά ένα ποσοστό του κανονικοποιημένου φάσματος εκπομπής των βακτηριδίων που ανιχνεύεται από τον δορυφορικό αισθητήρα, με το οποίο διαιρείται το ονομαστικό ανιχνεύσιμο σήμα του οργάνου για να προκύψει ένα κατώφλι βακτηριδιακής ακτινοβολίας πάνω από το οποίο επιτυγχάνεται η δορυφορική ανίχνευση. Για ένα επίπεδo εκπομπών κοντά στην επιφάνεια (με την σκέδαση μέσα στο νερό και την απορρόφηση να αγνοείται) και για ένα εκτιμώμενο βαθμό παραγωγής φωτονίων ανά κύτταρο, εκτιμήθηκε ο ελάχιστος βακτηριδιακός πληθυσμός που απαιτείται για να παράξει το κατώφλι ανίχνευσης. Στην συνέχεια με δεδομένη την έκταση του φαινομένου όπως καταγράφηκε από τον δορυφόρο, υπολογίσθηκε μια συνολικός πληθυσμός βακτηριδιακών κυττάρων συντηρητικά βάσει του ελάχιστου βακτηριδιακού πληθυσμού.

== Αποτελέσματα και συζήτηση ==

Ο τηλεπισκοπικός εντοπισμός ενος σχετικά ασθενούς φωτεινού σήματος όπως το βιοφωταυγές εξαρτάται από την χωρική έκταση, την ομοιογένεια, και το αποτέλεσμα της ατμοσφαιρικής εξασθένισης και απαιτεί την απουσία φωτεινής ρύπανσης από άλλες πηγές. Εξετάσθηκε αρχείο αναφορών πλοίων στο φαινόμενο από το 1992, το οποίο αντιστοιχούσε σε διαθέσιμα δορυφορικά δεδομένα OLS, για κάποια με ευνοϊκές συνθήκες εντοπισμού Από την διαδικασία αυτή επιλέχθηκε το μελετώμενο περιστατικό.
Η ανεπεξέργαστη νυχτερινή απεικόνιση στο ορατό OLS, η οποία συμπίπτει κατά μια μιση ώρα στην επιτόπια παρατήρηση, καταδεικνύει την παρουσία ενός μεγάλου, φωτεινού στοιχείου κοντά στην τοποθεσία, που παραμένει για τις ακόλουθες δύο νύχτες. Η ψηφιακή ενίσχυση και το φιλτράρισμα της εικόνας απομονώνουν περισσότερο το συνεκτικό στοιχείο από τον θόρυβο βάθους. Οι θέσεις πορείας του πλοίου (η θέση κατά την είσοδο και κατά την έξοδο από την γαλακτερή θάλασσα) έχουν στενή αντιστοιχία με τα όρια του αντικειμένου της δορυφορικής παρατήρησης.
Η δορυφορική οπτική αποκαλύπτει ότι το φαινόμενο καταλαμβάνει έκταση τουλάχιστον 15,400km2 στις 25 Ιανουαρίου 1995 και επεκτείνεται σε έκταση > 17,700 km2 την επόμενη μέρα. Η παραμονή του φαινομένου για πολλές μέρες είναι συνεπής με προηγούμενα ευρήματα και επιτρέπει την εξέταση της χωρικής εξέλιξης σε σύνδεση με την τοπικά θαλλάσια ρεύματα. Η παρατηρούμενη μεταφορά και περιστροφή της φωτεινής δομής για τρεις νύχτες ήταν συνεπής με μια δίνη ψυχρού πυρήνα από την μοντελοποίηση των ωκεάνιων ρευμάτων. Οι συνθήκες που διαπιστώθηκαν (παρουσία ψυχρών δινών και υποθαλλάσια δάση kelp) προτιμώνται από αποικίες φωτοπλαγκτόν, οι οποίες όντας σε ανάπτυξη μπορούν να προσφέρουν ένα υπόστρωμα για τον εποικισμό απο φωταυγή βακτήρια.
Για να αξιολογήσουμε τις απαιτήσεις εκπομπών βάση της υπόθεσης βακτηριακής πηγής, συγκρίναμε την φασματική ευαισθησία του δορυφορικού αισθητήρα με το φάσμα εκπομπών των βακτηριδίων. H απόδοση της ανίχνευσης, όπως εκτιμήθηκε στο 22%, δίνει κατώφλι ακτινοβολίας των εκπομπών των βακτηριδίων 1.8 Χ 10-4 W/m2/sr. Ο δορυφορικά ανιχνεύσιμος ελάχιστος πληθυσμός βακτηριδίων στην υδάτινη στήλη εκτιμάται σε 2,8 X108 κύτταρα/cm2. Βάσει της κάλυψης που εκτιμάται από την δορυφορική εικόνα, ο συνολικός πληθυσμός στην παρατηρημένη γαλακτερή θάλασσα εκτιμάται προσεγγιστικά σε 4x1022 βακτηριδιακά κύτταρα.
Η επόμενη γενία αισθητήρων χαμηλής φωτεινότητας, όπως εκπροσωπείται από το ημερίσιο/νυχτερινό κανάλι του συστήματος NPOESS (βλέπε Εικόνα 2 Β), προσφέρει την δυνατότητα βελτιωμένης ικανότητας παρατήρησης σε χαμηλό φωτισμό μέσω βελτιωμένου δυναμικού εύρους, υψηλότερο ποσοστό σήματος - θορύβου, βαθμονομημένα δεδομένα, υψηλότερη ραδιομετρική ανάλυση, καλύτερη χρονική ευκρίνεια και συμπληρωματική φασματική πληροφορία από άλλα κανάλια ραδιομετρικά και του ορατού/υπέρυθρου. Ο περιορισμός όμως της ευαισθησίας του σύμφωνα με τον παρόν σχεδιασμό στα μικρά μήκη κύματος το καθιστά λιγότερο κατάλληλο για την καταγραφή των μπλέ – πράσινων βιοφωταυγών εκπομπών. Κατά την προτεινόμενη φασματική συνάρτηση απόκρισης, το κατώφλι ακτινοβολίας εντοπισμού αυξάνεται στα 3.5 Χ 10-4 W/m2/sr (περίπου το ήμισυ της ευαισθησίας του παρόντος συστήματος OLS – VNIR). Δεδομένης της επιδεδειγμένης ικανότητας του να εντοπίζει ένα σπάνιο βιολογικό φαινόμενο και λαμβάνοντας υπόψιν την εμφανή εγγύτητα αυτών των σημάτων στο ελάχιστο ανιχνεύσιμο σήμα του αισθητήρα, ίσως αξίζει να διατηρηθεί η φασματική απόκριση στα μικρά μήκη κύματος του συστήματος.
Μια σπάνια ευκαιρία να αντιστοιχηθούν δορυφορικές παρατηρήσεις αισθητήρα χαμηλού φωτισμού με επιφανειακές αναφορές απέδωσε τις πρώτες δορυφορικές μετρήσεις βιοφωταύγειας από μια γαλακτερή θάλασσα. H τηλεπισκόπηση μπορεί να αποτελέσει το μόνο εφικτό μέσο εντοπισμού αυτής της υπεκφεύγουσας μορφής θαλάσσιας φωταύγειας. Για παράδειγμα, η αναπτυσσόμενες ημερίσιες τεχνικές τηλεπισκόπησης στην αποτίμηση της φυσιολογίας του φυτοπλαγκτού μπορεί να βοηθήσει στον προσδιορισμό περιοχών προτεραιότητας. Στην συνέχεια, η επιβεβαίωση παρουσίας του φαινομένου τηλεπισκοπικά θα επιτρέψει την προσέγγιση από εξειδικευμένη αποστολή παρατήρησης. Η συνδυασμένη παρατήρηση θα μας επιτρέψει να κατανοήσουμε καλύτερα τον ρόλο, την συμπεριφορά και της περιβαλλοντικές επιδράσεις των γαλακτερών θαλασσών, ενός μακροχρόνιου μυστηρίου της θαλασσινής παράδοσης.

[[category:Οικολογία]]

Εντοπισμός βιοφωταυγούς γαλακτερής θάλασσας από το διάστημα

2019-01-31T20:10:44Z

Pmagdaleneio:

''D. Miller, Steven H. D. Haddock, Christopher D. Elvidge, and Thomas F. Lee. '''Detection of a bioluminescent milky sea from space Steven'''''

[https://www.pnas.org/content/102/40/14181.full Πηγή]

== Περίληψη ==

Συχνά αναφερόμενες στην λαϊκή ναυτική αφήγηση, σουρεαλιστικές νυχτερινές εμφανίσεις, όπου η θαλάσσια επιφάνεια δημιουργούσε μια εκτενής, ομοιόμορφη και διαρκής λάμψη που εκτεινόνταν έως τον ορίζοντα προς όλες τις κατευθύνσεις, οι επονομαζόμενες γαλακτερές θάλασσες εικάζεται να είναι ενδείξεις μιας ασυνήθιστης βιοφωταυγείας που παράγεται από αποικίες βακτηριδίων σε σύνδεση με εκρήξη μικροαλγών στα επιφανειακά νερά. Εξαιτίας της εφήμερης φύσης τους και της έλλειψης επιστημονικών παρατηρήσεων, μια εξήγηση του φαινομένου έχει παραμείνει ασαφής. Στην πρώτη δορυφορική παρατηρήση του, το φαινομένου εμφανίζεται σεμια έκταση περίπου 15,400 km2 του Βορειοδυτικού Ινδικού Ωκεανού, κατά την διάρκεια τριών διαδοχικών νυχτών, έχοντας επιβεβαιωθεί την πρώτη νύχτα από το παρεβρισκόμενο πλοίο SS Lima. Αυτή η απροσδόκητη εφαρμογή της τηλεπισκόπησης παρείχε γνώση σχετικά με τον σχηματισμό και την κλίμακα αυτών των περιορισμένα κατανοητών φαινομένων.

'''Βακτηριδιακή βιοφωταύγεια|μικροβιακή οικολογία'''

== Εισαγωγή ==

Αν και έχουν παρατηρηθεί από ναυτικούς από τον 17ο αι., οι γαλακτερές θάλασσες έχουν ξεγλιστρήσει από την επιστημονικη έρευνα, με την εξαίρεση μιας επιτόπιας επιστημονικής παρατήρησης, όπου εκτίμηθηκε ότι η εκπομπή φωτός οφείλεται στα φωταυγή βακτηρίδια (Vibrio harveyi) που ζουν σε σύνδεση με τα μικροάλγη Phaeocystis. Παρόλα αυτά, λεπτομέρειες για τους μηχανισμούς σχηματισμού, την χωρική εξάπλωση, την παγκόσμια διασπορά, την εποχιακή διακύμανση και την οικολογική επίδραση των γαλακτερών θαλαρών παραμένουν σχεδόν παντελώς άγνωστες.
Από 235 ντοκουμένα σε ναυτικά ημερολόγια (υποκείμενα, όπως είναι φυσικό, στην ανθρώπινη αντίληψη και την λαϊκή ερμηνεία) γνωρίζουμε ότι μια τυπική γαλακτερή θάλασσα (ορατή μόνο την νύχτα) λάμπει συνεχόμενα πάνω από μια εκτενής περιοχή, είναι ανεξάρτητη από τον άνεμο, διαρκεί από μερικές ώρες έως μερικές μέρες, και μπορεί να συνδέεται με ωκεανογραφικά μέτωπα ή βιολογικα slicks. Το μεγαλύτερο μέρος των επεισοδίων (171) έχει καταγραφεί στον βορειοδυτικό Ινδικό ωκεανό, και ένα αξιόλογο στην Java της Ινδονησίας. Αν και οι παρατηρήσεις αφορούν σε ενεργούς θαλάσσιους δρόμους, δεν υπάρχουν αντίστοιχες για άλλες πολυσύχναστες περιοχές.
Μόνο δύο είδη φωτεινών οργανισμών θεωρούνται αιτιολογημένοι υποψήφιοι αυτής της εκπομπής: dinoflagellates και τα βακτήρια. Τα πρώτα, λόγω του τύπου φωταύγειας τους (ως απόκριση σε μηχανική διαταραχή, π.χ. θραυόμενος κυματισμός) θεωρούνται σχεδόν απίθανο να δώσουν διεγέρσεις που μπορούν να εντοπισθούν τηλεπισκοπικά. Τα δε φωτεινά βακτήρια, αν και μπορουν να εκπέμπουν μια διαρκές αλλά θαμπή λάμψη που μπορεί να διαρκέσει για πολλές μέρες κάτω από κατάλληλες συνθήκες, ελεύθερα είναι δύσκολο να προκαλέσουν σε γαλακτερές θάλασσες (λόγω του φαινομένου της αυτεπαγωγής, quorum sensing). H εκτιμώμενη σύνδεση των φωτεινών βακτηριδίων με αποικίες Phaeocystis (που λειτουργούν ως υπόστρωμα) θα παρείχε τέτοιες συνθήκες, ώστε ο πληθυσμός των φωτεινών βακτηρίων να μπορεί να εκπέμπει συνεχόμενα σε μια συχνότητα για παράδειγμα των 103 φωτονίων ανά sec ανά κύταρρο.

== Εργαλεία και Μέθοδοι ==

[[Εικόνα:pipinimbiolumiimage01|thumb|left|Εικόνα 1 Περιοχές μελέτης (πάνω) που αντιστοιχούν στις αφιλτράριστες (A-C) και φλιτραρισμένες δορυφορικές απεικονίσεις την νύχτα της παρατήρησης του SS Lima. (Α και D) 25/01/1995 1836 GMT (B και Ε) 26/01/1995 1804 GMT (C και F) 27/01/1995 1725 GMT. Τα βέλη στην F δείχνουν πλασματικές παρατηρήσεις που οφείλονται στον χαμηλό λόγο σήματος – θορύβου. Στην D φαίνεται απεικονίζεται ο διάπλους του SS Lima (διακεκομένη γραμμή) και οι θέσης της πρώτης θέασης (σημείο a) και της εξόδου από την γαλακτερή θάλασσα (σημείο b), βάσει των λεπτομερών αναφορών του πλοίου.]][[Εικόνα:pipinimbiolumiimage02|thumb|right|Εικόνα 2 Εργαστηριακή εκπομπή φάσματος βιοφωταυγών βακτηριδίων (μαύρο) συγκρινόμενη με συναρτήσεις φασματικής απόκρισης. Τα δεδομένα δείχνονται από το νυχτερινό ορατό κανάλι OLS του προγράμματος U.S. Defense Meteorological Satellite Program – του αισθητήρα που χρησιμοποιείται στην μελέτη – (A) και του προτεινόμενου ημερίσιου/νυχτερινού καναλιού του National Polar-orbiting Operational Environmental Satellite System VisibleInfrared ImagerRadiometer Suite (Β). Οι επικαλυπτόμενες περιοχές δείχνονται με γκρί.]]
Αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε δεδομένα από Αμυντικό Μετεωρολογικό Δορυφορικό Πρόγραμμα της ΗΠΑ. Οι δορυφόροι του συστήματος OLS σε ύψος 833 km, πολικής περιστροφής, είναι σχεδιασμένοι να καταγράφουν την παγκόσμια νέφωση σε ηλιακό και σεληνιακό φωτισμό. Για τις νυχτερινές παρατηρήσεις, το σύστημα OLS χρησιμοποιεί έναν φωτοπολλαπλασιαστικό αγωγό για την συλλογή ακτινοβολίας στο φάσμα του ορατού και του εγγύς υπέρυθρου με ευαισθησία τεσσάρων τάξεων μεγαλύτερη από συμβατικούς ανιχνευτές, όπως αυτοί των προγραμμάτων AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) και Landsat Thematic Mapper. H γήινη εικόνα δημιουργείται μέσω ενός ταλαντευόμενου προτύπου σάρωσης, μέσο του εδαφικού ίχνους. Ένας σταθερός ρυθμός δείγματος και η μηχανική σμύκρινση του διαφράγματος ηλεκτρονίων PMT για το έξω τέταρτο κάθε γραμμής σάρωσης οδήγησε σε περίπου ίση περιοχή pixel (~2.8km) κατά μήκος του πλάτους 3,000 km της λωρίδας. Παρότι το νυχτερινό κανάλι VNIR παρέχει εξαιρετική πληροφορία αντίθεσης (contrast) σε μεγάλο δυναμικό εύρος, περιορίζεται από αδρή ραδιομετρική ανάλυση (ποσοτικοποίηση 8 – bit) και στερείται βαθμονόμησης. Επιπρόσθετα της καταγραφής της σεληνιακής αντανάκλασης, η ικανότητα δημιουργία εικόνας σε περιορισμένο φώς έχει χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό εδαφικών και ατμοσφαιρικών πηγών εκπομπών, όπως φωτιές, κεραυνούς και ανθρώπινη δραστηριότητα ανά τον κόσμο. Δεν υπάρχουν προτείτερες αναφορές της ικανότητας του OLS να εντοπίσει γαλακτερές θάλασσες ή άλλη βιοφωταυγεία.
Για να βελτιωθεί η οπτική αντίθεση μεταξύ της συνεκτικού πλέγματος εκπομπών γαλακτερής θάλασσας και του θορύβου βάθους του οργάνου, τα δεδομένα OLS – VNIR ενισχύθηκαν ψηφιακά. Πρώτον, η μέση ένταση της κάθε γραμμής σάρωσης αφαιρείται για να μειώθούν οι μεταβολές στην στάθμη του ηλεκτρικού θορύβου. Για να μειωθέι ο θόρυβος των λυχνιών φωτοπολλαπλασιασμού, ενα φίλτρο 3 – pixel εφαρμόσθηκε στην κατεύθυνση της σάρωσης. Αν τουλάχιστον 2 pixel υπέρβαίναν το κατώφλι ( που ορίζεται στο ~5% του βαθμού κορεσμού του ανιχνευτή), τότε και τα 3 pixel ορίζονταν στην τιμή κορεσμού, διαφορετικά και τα 3 pixel ορίζονταν στο 0. Αυτή η διαδικασία επαναλαμβανόταν σε μια κατα μήκος διεύθυνση. Τέλος, ενα φίλτρο 8 – pixel εφαρμόζεται,και τα δεδομένα εξισσοροπούνται βάσει του ιστογραφήματος. Η ενίσχυση οδηγεί στην συγκέντρωση των συνεκτικών στοιχείων και στην απόκρυψη του τυχαίου θορύβου.
Παράλληλα, για την καταγραφή του φάσματος εκπομπών των βακτηριδίων, αναπτύχθηκε εργαστηριακά πληθυσμός του είδους Vibrio fischeri, το οποίο θεωρείται υπέυθυνο για το φαινόμενο της γαλακτερής θάλλασας . (Τα φάσματα εκπομπών που έχουν καταγράφηκε για πολλά διαφορετικά είδη από φωταυγή βακτήρια δίνουν τιμές αιχμής στα 490 nm και ήμισυ του ζωνικού εύρους 70 nm). Σε αυτό το σημείο, επισημαίνεται ότι το φάσμα των βακτηριδίων δεν υπερκαλύπτει πλήρως αυτή την συνάρτηση απόκρισης του αισθητήρα του ανιχνευτή, μόνο ένα τμήμα του συνολικού εκπεμπόμενου φωτός θα εντοπισθεί, που σημαίνει ότι τα βακτηρίδια πρέπει να παράγουν περισσότερο φως από το ελάχιστο ονομαστικό ανισχεύσιμο σήμα του οργάνου (MSD) για να εντοπισθούν. Για αυτό τον λόγο, εκτιμάται υπολογιστικά ένα ποσοστό του κανονικοποιημένου φάσματος εκπομπής των βακτηριδίων που ανιχνεύεται από τον δορυφορικό αισθητήρα, με το οποίο διαιρείται το ονομαστικό ανιχνεύσιμο σήμα του οργάνου για να προκύψει ένα κατώφλι βακτηριδιακής ακτινοβολίας πάνω από το οποίο επιτυγχάνεται η δορυφορική ανίχνευση. Για ένα επίπεδo εκπομπών κοντά στην επιφάνεια (με την σκέδαση μέσα στο νερό και την απορρόφηση να αγνοείται) και για ένα εκτιμώμενο βαθμό παραγωγής φωτονίων ανά κύτταρο, εκτιμήθηκε ο ελάχιστος βακτηριδιακός πληθυσμός που απαιτείται για να παράξει το κατώφλι ανίχνευσης. Στην συνέχεια με δεδομένη την έκταση του φαινομένου όπως καταγράφηκε από τον δορυφόρο, υπολογίσθηκε μια συνολικός πληθυσμός βακτηριδιακών κυττάρων συντηρητικά βάσει του ελάχιστου βακτηριδιακού πληθυσμού.

== Αποτελέσματα και συζήτηση ==

Ο τηλεπισκοπικός εντοπισμός ενος σχετικά ασθενούς φωτεινού σήματος όπως το βιοφωταυγές εξαρτάται από την χωρική έκταση, την ομοιογένεια, και το αποτέλεσμα της ατμοσφαιρικής εξασθένισης και απαιτεί την απουσία φωτεινής ρύπανσης από άλλες πηγές. Εξετάσθηκε αρχείο αναφορών πλοίων στο φαινόμενο από το 1992, το οποίο αντιστοιχούσε σε διαθέσιμα δορυφορικά δεδομένα OLS, για κάποια με ευνοϊκές συνθήκες εντοπισμού Από την διαδικασία αυτή επιλέχθηκε το μελετώμενο περιστατικό.
Η ανεπεξέργαστη νυχτερινή απεικόνιση στο ορατό OLS, η οποία συμπίπτει κατά μια μιση ώρα στην επιτόπια παρατήρηση, καταδεικνύει την παρουσία ενός μεγάλου, φωτεινού στοιχείου κοντά στην τοποθεσία, που παραμένει για τις ακόλουθες δύο νύχτες. Η ψηφιακή ενίσχυση και το φιλτράρισμα της εικόνας απομονώνουν περισσότερο το συνεκτικό στοιχείο από τον θόρυβο βάθους. Οι θέσεις πορείας του πλοίου (η θέση κατά την είσοδο και κατά την έξοδο από την γαλακτερή θάλασσα) έχουν στενή αντιστοιχία με τα όρια του αντικειμένου της δορυφορικής παρατήρησης.
Η δορυφορική οπτική αποκαλύπτει ότι το φαινόμενο καταλαμβάνει έκταση τουλάχιστον 15,400km2 στις 25 Ιανουαρίου 1995 και επεκτείνεται σε έκταση > 17,700 km2 την επόμενη μέρα. Η παραμονή του φαινομένου για πολλές μέρες είναι συνεπής με προηγούμενα ευρήματα και επιτρέπει την εξέταση της χωρικής εξέλιξης σε σύνδεση με την τοπικά θαλλάσια ρεύματα. Η παρατηρούμενη μεταφορά και περιστροφή της φωτεινής δομής για τρεις νύχτες ήταν συνεπής με μια δίνη ψυχρού πυρήνα από την μοντελοποίηση των ωκεάνιων ρευμάτων. Οι συνθήκες που διαπιστώθηκαν (παρουσία ψυχρών δινών και υποθαλλάσια δάση kelp) προτιμώνται από αποικίες φωτοπλαγκτόν, οι οποίες όντας σε ανάπτυξη μπορούν να προσφέρουν ένα υπόστρωμα για τον εποικισμό απο φωταυγή βακτήρια.
Για να αξιολογήσουμε τις απαιτήσεις εκπομπών βάση της υπόθεσης βακτηριακής πηγής, συγκρίναμε την φασματική ευαισθησία του δορυφορικού αισθητήρα με το φάσμα εκπομπών των βακτηριδίων. H απόδοση της ανίχνευσης, όπως εκτιμήθηκε στο 22%, δίνει κατώφλι ακτινοβολίας των εκπομπών των βακτηριδίων 1.8 Χ 10-4 W/m2/sr. Ο δορυφορικά ανιχνεύσιμος ελάχιστος πληθυσμός βακτηριδίων στην υδάτινη στήλη εκτιμάται σε 2,8 X108 κύτταρα/cm2. Βάσει της κάλυψης που εκτιμάται από την δορυφορική εικόνα, ο συνολικός πληθυσμός στην παρατηρημένη γαλακτερή θάλασσα εκτιμάται προσεγγιστικά σε 4x1022 βακτηριδιακά κύτταρα.
Η επόμενη γενία αισθητήρων χαμηλής φωτεινότητας, όπως εκπροσωπείται από το ημερίσιο/νυχτερινό κανάλι του συστήματος NPOESS (βλέπε Εικόνα 2 Β), προσφέρει την δυνατότητα βελτιωμένης ικανότητας παρατήρησης σε χαμηλό φωτισμό μέσω βελτιωμένου δυναμικού εύρους, υψηλότερο ποσοστό σήματος - θορύβου, βαθμονομημένα δεδομένα, υψηλότερη ραδιομετρική ανάλυση, καλύτερη χρονική ευκρίνεια και συμπληρωματική φασματική πληροφορία από άλλα κανάλια ραδιομετρικά και του ορατού/υπέρυθρου. Ο περιορισμός όμως της ευαισθησίας του σύμφωνα με τον παρόν σχεδιασμό στα μικρά μήκη κύματος το καθιστά λιγότερο κατάλληλο για την καταγραφή των μπλέ – πράσινων βιοφωταυγών εκπομπών. Κατά την προτεινόμενη φασματική συνάρτηση απόκρισης, το κατώφλι ακτινοβολίας εντοπισμού αυξάνεται στα 3.5 Χ 10-4 W/m2/sr (περίπου το ήμισυ της ευαισθησίας του παρόντος συστήματος OLS – VNIR). Δεδομένης της επιδεδειγμένης ικανότητας του να εντοπίζει ένα σπάνιο βιολογικό φαινόμενο και λαμβάνοντας υπόψιν την εμφανή εγγύτητα αυτών των σημάτων στο ελάχιστο ανιχνεύσιμο σήμα του αισθητήρα, ίσως αξίζει να διατηρηθεί η φασματική απόκριση στα μικρά μήκη κύματος του συστήματος.
Μια σπάνια ευκαιρία να αντιστοιχηθούν δορυφορικές παρατηρήσεις αισθητήρα χαμηλού φωτισμού με επιφανειακές αναφορές απέδωσε τις πρώτες δορυφορικές μετρήσεις βιοφωταύγειας από μια γαλακτερή θάλασσα. H τηλεπισκόπηση μπορεί να αποτελέσει το μόνο εφικτό μέσο εντοπισμού αυτής της υπεκφεύγουσας μορφής θαλάσσιας φωταύγειας. Για παράδειγμα, η αναπτυσσόμενες ημερίσιες τεχνικές τηλεπισκόπησης στην αποτίμηση της φυσιολογίας του φυτοπλαγκτού μπορεί να βοηθήσει στον προσδιορισμό περιοχών προτεραιότητας. Στην συνέχεια, η επιβεβαίωση παρουσίας του φαινομένου τηλεπισκοπικά θα επιτρέψει την προσέγγιση από εξειδικευμένη αποστολή παρατήρησης. Η συνδυασμένη παρατήρηση θα μας επιτρέψει να κατανοήσουμε καλύτερα τον ρόλο, την συμπεριφορά και της περιβαλλοντικές επιδράσεις των γαλακτερών θαλασσών, ενός μακροχρόνιου μυστηρίου της θαλασσινής παράδοσης.

[[category:Οικολογία]]

Εντοπισμός βιοφωταυγούς γαλακτερής θάλασσας από το διάστημα

2019-01-31T20:09:25Z

Pmagdaleneio:

''D. Miller, Steven H. D. Haddock, Christopher D. Elvidge, and Thomas F. Lee. '''Detection of a bioluminescent milky sea from space Steven'''''

[https://www.pnas.org/content/102/40/14181.full Πηγή]

== Περίληψη ==

Συχνά αναφερόμενες στην λαϊκή ναυτική αφήγηση, σουρεαλιστικές νυχτερινές εμφανίσεις, όπου η θαλάσσια επιφάνεια δημιουργούσε μια εκτενής, ομοιόμορφη και διαρκής λάμψη που εκτεινόνταν έως τον ορίζοντα προς όλες τις κατευθύνσεις, οι επονομαζόμενες γαλακτερές θάλασσες εικάζεται να είναι ενδείξεις μιας ασυνήθιστης βιοφωταυγείας που παράγεται από αποικίες βακτηριδίων σε σύνδεση με εκρήξη μικροαλγών στα επιφανειακά νερά. Εξαιτίας της εφήμερης φύσης τους και της έλλειψης επιστημονικών παρατηρήσεων, μια εξήγηση του φαινομένου έχει παραμείνει ασαφής. Στην πρώτη δορυφορική παρατηρήση του, το φαινομένου εμφανίζεται σεμια έκταση περίπου 15,400 km2 του Βορειοδυτικού Ινδικού Ωκεανού, κατά την διάρκεια τριών διαδοχικών νυχτών, έχοντας επιβεβαιωθεί την πρώτη νύχτα από το παρεβρισκόμενο πλοίο SS Lima. Αυτή η απροσδόκητη εφαρμογή της τηλεπισκόπησης παρείχε γνώση σχετικά με τον σχηματισμό και την κλίμακα αυτών των περιορισμένα κατανοητών φαινομένων.

'''Βακτηριδιακή βιοφωταύγεια|μικροβιακή οικολογία'''

== Εισαγωγή ==

Αν και έχουν παρατηρηθεί από ναυτικούς από τον 17ο αι., οι γαλακτερές θάλασσες έχουν ξεγλιστρήσει από την επιστημονικη έρευνα, με την εξαίρεση μιας επιτόπιας επιστημονικής παρατήρησης, όπου εκτίμηθηκε ότι η εκπομπή φωτός οφείλεται στα φωταυγή βακτηρίδια (Vibrio harveyi) που ζουν σε σύνδεση με τα μικροάλγη Phaeocystis. Παρόλα αυτά, λεπτομέρειες για τους μηχανισμούς σχηματισμού, την χωρική εξάπλωση, την παγκόσμια διασπορά, την εποχιακή διακύμανση και την οικολογική επίδραση των γαλακτερών θαλαρών παραμένουν σχεδόν παντελώς άγνωστες.
Από 235 ντοκουμένα σε ναυτικά ημερολόγια (υποκείμενα, όπως είναι φυσικό, στην ανθρώπινη αντίληψη και την λαϊκή ερμηνεία) γνωρίζουμε ότι μια τυπική γαλακτερή θάλασσα (ορατή μόνο την νύχτα) λάμπει συνεχόμενα πάνω από μια εκτενής περιοχή, είναι ανεξάρτητη από τον άνεμο, διαρκεί από μερικές ώρες έως μερικές μέρες, και μπορεί να συνδέεται με ωκεανογραφικά μέτωπα ή βιολογικα slicks. Το μεγαλύτερο μέρος των επεισοδίων (171) έχει καταγραφεί στον βορειοδυτικό Ινδικό ωκεανό, και ένα αξιόλογο στην Java της Ινδονησίας. Αν και οι παρατηρήσεις αφορούν σε ενεργούς θαλάσσιους δρόμους, δεν υπάρχουν αντίστοιχες για άλλες πολυσύχναστες περιοχές.
Μόνο δύο είδη φωτεινών οργανισμών θεωρούνται αιτιολογημένοι υποψήφιοι αυτής της εκπομπής: dinoflagellates και τα βακτήρια. Τα πρώτα, λόγω του τύπου φωταύγειας τους (ως απόκριση σε μηχανική διαταραχή, π.χ. θραυόμενος κυματισμός) θεωρούνται σχεδόν απίθανο να δώσουν διεγέρσεις που μπορούν να εντοπισθούν τηλεπισκοπικά. Τα δε φωτεινά βακτήρια, αν και μπορουν να εκπέμπουν μια διαρκές αλλά θαμπή λάμψη που μπορεί να διαρκέσει για πολλές μέρες κάτω από κατάλληλες συνθήκες, ελεύθερα είναι δύσκολο να προκαλέσουν σε γαλακτερές θάλασσες (λόγω του φαινομένου της αυτεπαγωγής, quorum sensing). H εκτιμώμενη σύνδεση των φωτεινών βακτηριδίων με αποικίες Phaeocystis (που λειτουργούν ως υπόστρωμα) θα παρείχε τέτοιες συνθήκες, ώστε ο πληθυσμός των φωτεινών βακτηρίων να μπορεί να εκπέμπει συνεχόμενα σε μια συχνότητα για παράδειγμα των 103 φωτονίων ανά sec ανά κύταρρο.

== Εργαλεία και Μέθοδοι ==

Αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε δεδομένα από Αμυντικό Μετεωρολογικό Δορυφορικό Πρόγραμμα της ΗΠΑ. Οι δορυφόροι του συστήματος OLS σε ύψος 833 km, πολικής περιστροφής, είναι σχεδιασμένοι να καταγράφουν την παγκόσμια νέφωση σε ηλιακό και σεληνιακό φωτισμό. Για τις νυχτερινές παρατηρήσεις, το σύστημα OLS χρησιμοποιεί έναν φωτοπολλαπλασιαστικό αγωγό για την συλλογή ακτινοβολίας στο φάσμα του ορατού και του εγγύς υπέρυθρου με ευαισθησία τεσσάρων τάξεων μεγαλύτερη από συμβατικούς ανιχνευτές, όπως αυτοί των προγραμμάτων AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) και Landsat Thematic Mapper. H γήινη εικόνα δημιουργείται μέσω ενός ταλαντευόμενου προτύπου σάρωσης, μέσο του εδαφικού ίχνους. Ένας σταθερός ρυθμός δείγματος και η μηχανική σμύκρινση του διαφράγματος ηλεκτρονίων PMT για το έξω τέταρτο κάθε γραμμής σάρωσης οδήγησε σε περίπου ίση περιοχή pixel (~2.8km) κατά μήκος του πλάτους 3,000 km της λωρίδας. Παρότι το νυχτερινό κανάλι VNIR παρέχει εξαιρετική πληροφορία αντίθεσης (contrast) σε μεγάλο δυναμικό εύρος, περιορίζεται από αδρή ραδιομετρική ανάλυση (ποσοτικοποίηση 8 – bit) και στερείται βαθμονόμησης. Επιπρόσθετα της καταγραφής της σεληνιακής αντανάκλασης, η ικανότητα δημιουργία εικόνας σε περιορισμένο φώς έχει χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό εδαφικών και ατμοσφαιρικών πηγών εκπομπών, όπως φωτιές, κεραυνούς και ανθρώπινη δραστηριότητα ανά τον κόσμο. Δεν υπάρχουν προτείτερες αναφορές της ικανότητας του OLS να εντοπίσει γαλακτερές θάλασσες ή άλλη βιοφωταυγεία.
Για να βελτιωθεί η οπτική αντίθεση μεταξύ της συνεκτικού πλέγματος εκπομπών γαλακτερής θάλασσας και του θορύβου βάθους του οργάνου, τα δεδομένα OLS – VNIR ενισχύθηκαν ψηφιακά. Πρώτον, η μέση ένταση της κάθε γραμμής σάρωσης αφαιρείται για να μειώθούν οι μεταβολές στην στάθμη του ηλεκτρικού θορύβου. Για να μειωθέι ο θόρυβος των λυχνιών φωτοπολλαπλασιασμού, ενα φίλτρο 3 – pixel εφαρμόσθηκε στην κατεύθυνση της σάρωσης. Αν τουλάχιστον 2 pixel υπέρβαίναν το κατώφλι ( που ορίζεται στο ~5% του βαθμού κορεσμού του ανιχνευτή), τότε και τα 3 pixel ορίζονταν στην τιμή κορεσμού, διαφορετικά και τα 3 pixel ορίζονταν στο 0. Αυτή η διαδικασία επαναλαμβανόταν σε μια κατα μήκος διεύθυνση. Τέλος, ενα φίλτρο 8 – pixel εφαρμόζεται,και τα δεδομένα εξισσοροπούνται βάσει του ιστογραφήματος. Η ενίσχυση οδηγεί στην συγκέντρωση των συνεκτικών στοιχείων και στην απόκρυψη του τυχαίου θορύβου.
Παράλληλα, για την καταγραφή του φάσματος εκπομπών των βακτηριδίων, αναπτύχθηκε εργαστηριακά πληθυσμός του είδους Vibrio fischeri, το οποίο θεωρείται υπέυθυνο για το φαινόμενο της γαλακτερής θάλλασας . (Τα φάσματα εκπομπών που έχουν καταγράφηκε για πολλά διαφορετικά είδη από φωταυγή βακτήρια δίνουν τιμές αιχμής στα 490 nm και ήμισυ του ζωνικού εύρους 70 nm). Σε αυτό το σημείο, επισημαίνεται ότι το φάσμα των βακτηριδίων δεν υπερκαλύπτει πλήρως αυτή την συνάρτηση απόκρισης του αισθητήρα του ανιχνευτή, μόνο ένα τμήμα του συνολικού εκπεμπόμενου φωτός θα εντοπισθεί, που σημαίνει ότι τα βακτηρίδια πρέπει να παράγουν περισσότερο φως από το ελάχιστο ονομαστικό ανισχεύσιμο σήμα του οργάνου (MSD) για να εντοπισθούν. Για αυτό τον λόγο, εκτιμάται υπολογιστικά ένα ποσοστό του κανονικοποιημένου φάσματος εκπομπής των βακτηριδίων που ανιχνεύεται από τον δορυφορικό αισθητήρα, με το οποίο διαιρείται το ονομαστικό ανιχνεύσιμο σήμα του οργάνου για να προκύψει ένα κατώφλι βακτηριδιακής ακτινοβολίας πάνω από το οποίο επιτυγχάνεται η δορυφορική ανίχνευση. Για ένα επίπεδo εκπομπών κοντά στην επιφάνεια (με την σκέδαση μέσα στο νερό και την απορρόφηση να αγνοείται) και για ένα εκτιμώμενο βαθμό παραγωγής φωτονίων ανά κύτταρο, εκτιμήθηκε ο ελάχιστος βακτηριδιακός πληθυσμός που απαιτείται για να παράξει το κατώφλι ανίχνευσης. Στην συνέχεια με δεδομένη την έκταση του φαινομένου όπως καταγράφηκε από τον δορυφόρο, υπολογίσθηκε μια συνολικός πληθυσμός βακτηριδιακών κυττάρων συντηρητικά βάσει του ελάχιστου βακτηριδιακού πληθυσμού.

[[Εικόνα:pipinimbiolumiimage01|thumb|left|Εικόνα 1 Περιοχές μελέτης (πάνω) που αντιστοιχούν στις αφιλτράριστες (A-C) και φλιτραρισμένες δορυφορικές απεικονίσεις την νύχτα της παρατήρησης του SS Lima. (Α και D) 25/01/1995 1836 GMT (B και Ε) 26/01/1995 1804 GMT (C και F) 27/01/1995 1725 GMT. Τα βέλη στην F δείχνουν πλασματικές παρατηρήσεις που οφείλονται στον χαμηλό λόγο σήματος – θορύβου. Στην D φαίνεται απεικονίζεται ο διάπλους του SS Lima (διακεκομένη γραμμή) και οι θέσης της πρώτης θέασης (σημείο a) και της εξόδου από την γαλακτερή θάλασσα (σημείο b), βάσει των λεπτομερών αναφορών του πλοίου.]][[Εικόνα:pipinimbiolumiimage02|thumb|right|Εικόνα 2 Εργαστηριακή εκπομπή φάσματος βιοφωταυγών βακτηριδίων (μαύρο) συγκρινόμενη με συναρτήσεις φασματικής απόκρισης. Τα δεδομένα δείχνονται από το νυχτερινό ορατό κανάλι OLS του προγράμματος U.S. Defense Meteorological Satellite Program – του αισθητήρα που χρησιμοποιείται στην μελέτη – (A) και του προτεινόμενου ημερίσιου/νυχτερινού καναλιού του National Polar-orbiting Operational Environmental Satellite System VisibleInfrared ImagerRadiometer Suite (Β). Οι επικαλυπτόμενες περιοχές δείχνονται με γκρί.]]

== Αποτελέσματα και συζήτηση ==

Ο τηλεπισκοπικός εντοπισμός ενος σχετικά ασθενούς φωτεινού σήματος όπως το βιοφωταυγές εξαρτάται από την χωρική έκταση, την ομοιογένεια, και το αποτέλεσμα της ατμοσφαιρικής εξασθένισης και απαιτεί την απουσία φωτεινής ρύπανσης από άλλες πηγές. Εξετάσθηκε αρχείο αναφορών πλοίων στο φαινόμενο από το 1992, το οποίο αντιστοιχούσε σε διαθέσιμα δορυφορικά δεδομένα OLS, για κάποια με ευνοϊκές συνθήκες εντοπισμού Από την διαδικασία αυτή επιλέχθηκε το μελετώμενο περιστατικό.
Η ανεπεξέργαστη νυχτερινή απεικόνιση στο ορατό OLS, η οποία συμπίπτει κατά μια μιση ώρα στην επιτόπια παρατήρηση, καταδεικνύει την παρουσία ενός μεγάλου, φωτεινού στοιχείου κοντά στην τοποθεσία, που παραμένει για τις ακόλουθες δύο νύχτες. Η ψηφιακή ενίσχυση και το φιλτράρισμα της εικόνας απομονώνουν περισσότερο το συνεκτικό στοιχείο από τον θόρυβο βάθους. Οι θέσεις πορείας του πλοίου (η θέση κατά την είσοδο και κατά την έξοδο από την γαλακτερή θάλασσα) έχουν στενή αντιστοιχία με τα όρια του αντικειμένου της δορυφορικής παρατήρησης.
Η δορυφορική οπτική αποκαλύπτει ότι το φαινόμενο καταλαμβάνει έκταση τουλάχιστον 15,400km2 στις 25 Ιανουαρίου 1995 και επεκτείνεται σε έκταση > 17,700 km2 την επόμενη μέρα. Η παραμονή του φαινομένου για πολλές μέρες είναι συνεπής με προηγούμενα ευρήματα και επιτρέπει την εξέταση της χωρικής εξέλιξης σε σύνδεση με την τοπικά θαλλάσια ρεύματα. Η παρατηρούμενη μεταφορά και περιστροφή της φωτεινής δομής για τρεις νύχτες ήταν συνεπής με μια δίνη ψυχρού πυρήνα από την μοντελοποίηση των ωκεάνιων ρευμάτων. Οι συνθήκες που διαπιστώθηκαν (παρουσία ψυχρών δινών και υποθαλλάσια δάση kelp) προτιμώνται από αποικίες φωτοπλαγκτόν, οι οποίες όντας σε ανάπτυξη μπορούν να προσφέρουν ένα υπόστρωμα για τον εποικισμό απο φωταυγή βακτήρια.
Για να αξιολογήσουμε τις απαιτήσεις εκπομπών βάση της υπόθεσης βακτηριακής πηγής, συγκρίναμε την φασματική ευαισθησία του δορυφορικού αισθητήρα με το φάσμα εκπομπών των βακτηριδίων. H απόδοση της ανίχνευσης, όπως εκτιμήθηκε στο 22%, δίνει κατώφλι ακτινοβολίας των εκπομπών των βακτηριδίων 1.8 Χ 10-4 W/m2/sr. Ο δορυφορικά ανιχνεύσιμος ελάχιστος πληθυσμός βακτηριδίων στην υδάτινη στήλη εκτιμάται σε 2,8 X108 κύτταρα/cm2. Βάσει της κάλυψης που εκτιμάται από την δορυφορική εικόνα, ο συνολικός πληθυσμός στην παρατηρημένη γαλακτερή θάλασσα εκτιμάται προσεγγιστικά σε 4x1022 βακτηριδιακά κύτταρα.
Η επόμενη γενία αισθητήρων χαμηλής φωτεινότητας, όπως εκπροσωπείται από το ημερίσιο/νυχτερινό κανάλι του συστήματος NPOESS (βλέπε Εικόνα 2 Β), προσφέρει την δυνατότητα βελτιωμένης ικανότητας παρατήρησης σε χαμηλό φωτισμό μέσω βελτιωμένου δυναμικού εύρους, υψηλότερο ποσοστό σήματος - θορύβου, βαθμονομημένα δεδομένα, υψηλότερη ραδιομετρική ανάλυση, καλύτερη χρονική ευκρίνεια και συμπληρωματική φασματική πληροφορία από άλλα κανάλια ραδιομετρικά και του ορατού/υπέρυθρου. Ο περιορισμός όμως της ευαισθησίας του σύμφωνα με τον παρόν σχεδιασμό στα μικρά μήκη κύματος το καθιστά λιγότερο κατάλληλο για την καταγραφή των μπλέ – πράσινων βιοφωταυγών εκπομπών. Κατά την προτεινόμενη φασματική συνάρτηση απόκρισης, το κατώφλι ακτινοβολίας εντοπισμού αυξάνεται στα 3.5 Χ 10-4 W/m2/sr (περίπου το ήμισυ της ευαισθησίας του παρόντος συστήματος OLS – VNIR). Δεδομένης της επιδεδειγμένης ικανότητας του να εντοπίζει ένα σπάνιο βιολογικό φαινόμενο και λαμβάνοντας υπόψιν την εμφανή εγγύτητα αυτών των σημάτων στο ελάχιστο ανιχνεύσιμο σήμα του αισθητήρα, ίσως αξίζει να διατηρηθεί η φασματική απόκριση στα μικρά μήκη κύματος του συστήματος.
Μια σπάνια ευκαιρία να αντιστοιχηθούν δορυφορικές παρατηρήσεις αισθητήρα χαμηλού φωτισμού με επιφανειακές αναφορές απέδωσε τις πρώτες δορυφορικές μετρήσεις βιοφωταύγειας από μια γαλακτερή θάλασσα. H τηλεπισκόπηση μπορεί να αποτελέσει το μόνο εφικτό μέσο εντοπισμού αυτής της υπεκφεύγουσας μορφής θαλάσσιας φωταύγειας. Για παράδειγμα, η αναπτυσσόμενες ημερίσιες τεχνικές τηλεπισκόπησης στην αποτίμηση της φυσιολογίας του φυτοπλαγκτού μπορεί να βοηθήσει στον προσδιορισμό περιοχών προτεραιότητας. Στην συνέχεια, η επιβεβαίωση παρουσίας του φαινομένου τηλεπισκοπικά θα επιτρέψει την προσέγγιση από εξειδικευμένη αποστολή παρατήρησης. Η συνδυασμένη παρατήρηση θα μας επιτρέψει να κατανοήσουμε καλύτερα τον ρόλο, την συμπεριφορά και της περιβαλλοντικές επιδράσεις των γαλακτερών θαλασσών, ενός μακροχρόνιου μυστηρίου της θαλασσινής παράδοσης.

[[category:Οικολογία]]

Εντοπισμός βιοφωταυγούς γαλακτερής θάλασσας από το διάστημα

2019-01-31T20:08:34Z

Pmagdaleneio:

''D. Miller, Steven H. D. Haddock, Christopher D. Elvidge, and Thomas F. Lee. '''Detection of a bioluminescent milky sea from space Steven'''''

[https://www.pnas.org/content/102/40/14181.full Πηγή]

== Περίληψη ==

Συχνά αναφερόμενες στην λαϊκή ναυτική αφήγηση, σουρεαλιστικές νυχτερινές εμφανίσεις, όπου η θαλάσσια επιφάνεια δημιουργούσε μια εκτενής, ομοιόμορφη και διαρκής λάμψη που εκτεινόνταν έως τον ορίζοντα προς όλες τις κατευθύνσεις, οι επονομαζόμενες γαλακτερές θάλασσες εικάζεται να είναι ενδείξεις μιας ασυνήθιστης βιοφωταυγείας που παράγεται από αποικίες βακτηριδίων σε σύνδεση με εκρήξη μικροαλγών στα επιφανειακά νερά. Εξαιτίας της εφήμερης φύσης τους και της έλλειψης επιστημονικών παρατηρήσεων, μια εξήγηση του φαινομένου έχει παραμείνει ασαφής. Στην πρώτη δορυφορική παρατηρήση του, το φαινομένου εμφανίζεται σεμια έκταση περίπου 15,400 km2 του Βορειοδυτικού Ινδικού Ωκεανού, κατά την διάρκεια τριών διαδοχικών νυχτών, έχοντας επιβεβαιωθεί την πρώτη νύχτα από το παρεβρισκόμενο πλοίο SS Lima. Αυτή η απροσδόκητη εφαρμογή της τηλεπισκόπησης παρείχε γνώση σχετικά με τον σχηματισμό και την κλίμακα αυτών των περιορισμένα κατανοητών φαινομένων.

'''Βακτηριδιακή βιοφωταύγεια|μικροβιακή οικολογία'''

== Εισαγωγή ==

Αν και έχουν παρατηρηθεί από ναυτικούς από τον 17ο αι., οι γαλακτερές θάλασσες έχουν ξεγλιστρήσει από την επιστημονικη έρευνα, με την εξαίρεση μιας επιτόπιας επιστημονικής παρατήρησης, όπου εκτίμηθηκε ότι η εκπομπή φωτός οφείλεται στα φωταυγή βακτηρίδια (Vibrio harveyi) που ζουν σε σύνδεση με τα μικροάλγη Phaeocystis. Παρόλα αυτά, λεπτομέρειες για τους μηχανισμούς σχηματισμού, την χωρική εξάπλωση, την παγκόσμια διασπορά, την εποχιακή διακύμανση και την οικολογική επίδραση των γαλακτερών θαλαρών παραμένουν σχεδόν παντελώς άγνωστες.
Από 235 ντοκουμένα σε ναυτικά ημερολόγια (υποκείμενα, όπως είναι φυσικό, στην ανθρώπινη αντίληψη και την λαϊκή ερμηνεία) γνωρίζουμε ότι μια τυπική γαλακτερή θάλασσα (ορατή μόνο την νύχτα) λάμπει συνεχόμενα πάνω από μια εκτενής περιοχή, είναι ανεξάρτητη από τον άνεμο, διαρκεί από μερικές ώρες έως μερικές μέρες, και μπορεί να συνδέεται με ωκεανογραφικά μέτωπα ή βιολογικα slicks. Το μεγαλύτερο μέρος των επεισοδίων (171) έχει καταγραφεί στον βορειοδυτικό Ινδικό ωκεανό, και ένα αξιόλογο στην Java της Ινδονησίας. Αν και οι παρατηρήσεις αφορούν σε ενεργούς θαλάσσιους δρόμους, δεν υπάρχουν αντίστοιχες για άλλες πολυσύχναστες περιοχές.
Μόνο δύο είδη φωτεινών οργανισμών θεωρούνται αιτιολογημένοι υποψήφιοι αυτής της εκπομπής: dinoflagellates και τα βακτήρια. Τα πρώτα, λόγω του τύπου φωταύγειας τους (ως απόκριση σε μηχανική διαταραχή, π.χ. θραυόμενος κυματισμός) θεωρούνται σχεδόν απίθανο να δώσουν διεγέρσεις που μπορούν να εντοπισθούν τηλεπισκοπικά. Τα δε φωτεινά βακτήρια, αν και μπορουν να εκπέμπουν μια διαρκές αλλά θαμπή λάμψη που μπορεί να διαρκέσει για πολλές μέρες κάτω από κατάλληλες συνθήκες, ελεύθερα είναι δύσκολο να προκαλέσουν σε γαλακτερές θάλασσες (λόγω του φαινομένου της αυτεπαγωγής, quorum sensing). H εκτιμώμενη σύνδεση των φωτεινών βακτηριδίων με αποικίες Phaeocystis (που λειτουργούν ως υπόστρωμα) θα παρείχε τέτοιες συνθήκες, ώστε ο πληθυσμός των φωτεινών βακτηρίων να μπορεί να εκπέμπει συνεχόμενα σε μια συχνότητα για παράδειγμα των 103 φωτονίων ανά sec ανά κύταρρο.

== Εργαλεία και Μέθοδοι ==

Αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε δεδομένα από Αμυντικό Μετεωρολογικό Δορυφορικό Πρόγραμμα της ΗΠΑ. Οι δορυφόροι του συστήματος OLS σε ύψος 833 km, πολικής περιστροφής, είναι σχεδιασμένοι να καταγράφουν την παγκόσμια νέφωση σε ηλιακό και σεληνιακό φωτισμό. Για τις νυχτερινές παρατηρήσεις, το σύστημα OLS χρησιμοποιεί έναν φωτοπολλαπλασιαστικό αγωγό για την συλλογή ακτινοβολίας στο φάσμα του ορατού και του εγγύς υπέρυθρου με ευαισθησία τεσσάρων τάξεων μεγαλύτερη από συμβατικούς ανιχνευτές, όπως αυτοί των προγραμμάτων AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) και Landsat Thematic Mapper. H γήινη εικόνα δημιουργείται μέσω ενός ταλαντευόμενου προτύπου σάρωσης, μέσο του εδαφικού ίχνους. Ένας σταθερός ρυθμός δείγματος και η μηχανική σμύκρινση του διαφράγματος ηλεκτρονίων PMT για το έξω τέταρτο κάθε γραμμής σάρωσης οδήγησε σε περίπου ίση περιοχή pixel (~2.8km) κατά μήκος του πλάτους 3,000 km της λωρίδας. Παρότι το νυχτερινό κανάλι VNIR παρέχει εξαιρετική πληροφορία αντίθεσης (contrast) σε μεγάλο δυναμικό εύρος, περιορίζεται από αδρή ραδιομετρική ανάλυση (ποσοτικοποίηση 8 – bit) και στερείται βαθμονόμησης. Επιπρόσθετα της καταγραφής της σεληνιακής αντανάκλασης, η ικανότητα δημιουργία εικόνας σε περιορισμένο φώς έχει χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό εδαφικών και ατμοσφαιρικών πηγών εκπομπών, όπως φωτιές, κεραυνούς και ανθρώπινη δραστηριότητα ανά τον κόσμο. Δεν υπάρχουν προτείτερες αναφορές της ικανότητας του OLS να εντοπίσει γαλακτερές θάλασσες ή άλλη βιοφωταυγεία.
Για να βελτιωθεί η οπτική αντίθεση μεταξύ της συνεκτικού πλέγματος εκπομπών γαλακτερής θάλασσας και του θορύβου βάθους του οργάνου, τα δεδομένα OLS – VNIR ενισχύθηκαν ψηφιακά. Πρώτον, η μέση ένταση της κάθε γραμμής σάρωσης αφαιρείται για να μειώθούν οι μεταβολές στην στάθμη του ηλεκτρικού θορύβου. Για να μειωθέι ο θόρυβος των λυχνιών φωτοπολλαπλασιασμού, ενα φίλτρο 3 – pixel εφαρμόσθηκε στην κατεύθυνση της σάρωσης. Αν τουλάχιστον 2 pixel υπέρβαίναν το κατώφλι ( που ορίζεται στο ~5% του βαθμού κορεσμού του ανιχνευτή), τότε και τα 3 pixel ορίζονταν στην τιμή κορεσμού, διαφορετικά και τα 3 pixel ορίζονταν στο 0. Αυτή η διαδικασία επαναλαμβανόταν σε μια κατα μήκος διεύθυνση. Τέλος, ενα φίλτρο 8 – pixel εφαρμόζεται,και τα δεδομένα εξισσοροπούνται βάσει του ιστογραφήματος. Η ενίσχυση οδηγεί στην συγκέντρωση των συνεκτικών στοιχείων και στην απόκρυψη του τυχαίου θορύβου.
Παράλληλα, για την καταγραφή του φάσματος εκπομπών των βακτηριδίων, αναπτύχθηκε εργαστηριακά πληθυσμός του είδους Vibrio fischeri, το οποίο θεωρείται υπέυθυνο για το φαινόμενο της γαλακτερής θάλλασας . (Τα φάσματα εκπομπών που έχουν καταγράφηκε για πολλά διαφορετικά είδη από φωταυγή βακτήρια δίνουν τιμές αιχμής στα 490 nm και ήμισυ του ζωνικού εύρους 70 nm). Σε αυτό το σημείο, επισημαίνεται ότι το φάσμα των βακτηριδίων δεν υπερκαλύπτει πλήρως αυτή την συνάρτηση απόκρισης του αισθητήρα του ανιχνευτή, μόνο ένα τμήμα του συνολικού εκπεμπόμενου φωτός θα εντοπισθεί, που σημαίνει ότι τα βακτηρίδια πρέπει να παράγουν περισσότερο φως από το ελάχιστο ονομαστικό ανισχεύσιμο σήμα του οργάνου (MSD) για να εντοπισθούν. Για αυτό τον λόγο, εκτιμάται υπολογιστικά ένα ποσοστό του κανονικοποιημένου φάσματος εκπομπής των βακτηριδίων που ανιχνεύεται από τον δορυφορικό αισθητήρα, με το οποίο διαιρείται το ονομαστικό ανιχνεύσιμο σήμα του οργάνου για να προκύψει ένα κατώφλι βακτηριδιακής ακτινοβολίας πάνω από το οποίο επιτυγχάνεται η δορυφορική ανίχνευση. Για ένα επίπεδo εκπομπών κοντά στην επιφάνεια (με την σκέδαση μέσα στο νερό και την απορρόφηση να αγνοείται) και για ένα εκτιμώμενο βαθμό παραγωγής φωτονίων ανά κύτταρο, εκτιμήθηκε ο ελάχιστος βακτηριδιακός πληθυσμός που απαιτείται για να παράξει το κατώφλι ανίχνευσης. Στην συνέχεια με δεδομένη την έκταση του φαινομένου όπως καταγράφηκε από τον δορυφόρο, υπολογίσθηκε μια συνολικός πληθυσμός βακτηριδιακών κυττάρων συντηρητικά βάσει του ελάχιστου βακτηριδιακού πληθυσμού.

[[Εικόνα:pipinimbiolumiimage01|thumb|center|Εικόνα 1 Περιοχές μελέτης (πάνω) που αντιστοιχούν στις αφιλτράριστες (A-C) και φλιτραρισμένες δορυφορικές απεικονίσεις την νύχτα της παρατήρησης του SS Lima. (Α και D) 25/01/1995 1836 GMT (B και Ε) 26/01/1995 1804 GMT (C και F) 27/01/1995 1725 GMT. Τα βέλη στην F δείχνουν πλασματικές παρατηρήσεις που οφείλονται στον χαμηλό λόγο σήματος – θορύβου. Στην D φαίνεται απεικονίζεται ο διάπλους του SS Lima (διακεκομένη γραμμή) και οι θέσης της πρώτης θέασης (σημείο a) και της εξόδου από την γαλακτερή θάλασσα (σημείο b), βάσει των λεπτομερών αναφορών του πλοίου.]][[Εικόνα:pipinimbiolumiimage02|thumb|center|Εικόνα 2 Εργαστηριακή εκπομπή φάσματος βιοφωταυγών βακτηριδίων (μαύρο) συγκρινόμενη με συναρτήσεις φασματικής απόκρισης. Τα δεδομένα δείχνονται από το νυχτερινό ορατό κανάλι OLS του προγράμματος U.S. Defense Meteorological Satellite Program – του αισθητήρα που χρησιμοποιείται στην μελέτη – (A) και του προτεινόμενου ημερίσιου/νυχτερινού καναλιού του National Polar-orbiting Operational Environmental Satellite System VisibleInfrared ImagerRadiometer Suite (Β). Οι επικαλυπτόμενες περιοχές δείχνονται με γκρί.]]

== Αποτελέσματα και συζήτηση ==

Ο τηλεπισκοπικός εντοπισμός ενος σχετικά ασθενούς φωτεινού σήματος όπως το βιοφωταυγές εξαρτάται από την χωρική έκταση, την ομοιογένεια, και το αποτέλεσμα της ατμοσφαιρικής εξασθένισης και απαιτεί την απουσία φωτεινής ρύπανσης από άλλες πηγές. Εξετάσθηκε αρχείο αναφορών πλοίων στο φαινόμενο από το 1992, το οποίο αντιστοιχούσε σε διαθέσιμα δορυφορικά δεδομένα OLS, για κάποια με ευνοϊκές συνθήκες εντοπισμού Από την διαδικασία αυτή επιλέχθηκε το μελετώμενο περιστατικό.
Η ανεπεξέργαστη νυχτερινή απεικόνιση στο ορατό OLS, η οποία συμπίπτει κατά μια μιση ώρα στην επιτόπια παρατήρηση, καταδεικνύει την παρουσία ενός μεγάλου, φωτεινού στοιχείου κοντά στην τοποθεσία, που παραμένει για τις ακόλουθες δύο νύχτες. Η ψηφιακή ενίσχυση και το φιλτράρισμα της εικόνας απομονώνουν περισσότερο το συνεκτικό στοιχείο από τον θόρυβο βάθους. Οι θέσεις πορείας του πλοίου (η θέση κατά την είσοδο και κατά την έξοδο από την γαλακτερή θάλασσα) έχουν στενή αντιστοιχία με τα όρια του αντικειμένου της δορυφορικής παρατήρησης.
Η δορυφορική οπτική αποκαλύπτει ότι το φαινόμενο καταλαμβάνει έκταση τουλάχιστον 15,400km2 στις 25 Ιανουαρίου 1995 και επεκτείνεται σε έκταση > 17,700 km2 την επόμενη μέρα. Η παραμονή του φαινομένου για πολλές μέρες είναι συνεπής με προηγούμενα ευρήματα και επιτρέπει την εξέταση της χωρικής εξέλιξης σε σύνδεση με την τοπικά θαλλάσια ρεύματα. Η παρατηρούμενη μεταφορά και περιστροφή της φωτεινής δομής για τρεις νύχτες ήταν συνεπής με μια δίνη ψυχρού πυρήνα από την μοντελοποίηση των ωκεάνιων ρευμάτων. Οι συνθήκες που διαπιστώθηκαν (παρουσία ψυχρών δινών και υποθαλλάσια δάση kelp) προτιμώνται από αποικίες φωτοπλαγκτόν, οι οποίες όντας σε ανάπτυξη μπορούν να προσφέρουν ένα υπόστρωμα για τον εποικισμό απο φωταυγή βακτήρια.
Για να αξιολογήσουμε τις απαιτήσεις εκπομπών βάση της υπόθεσης βακτηριακής πηγής, συγκρίναμε την φασματική ευαισθησία του δορυφορικού αισθητήρα με το φάσμα εκπομπών των βακτηριδίων. H απόδοση της ανίχνευσης, όπως εκτιμήθηκε στο 22%, δίνει κατώφλι ακτινοβολίας των εκπομπών των βακτηριδίων 1.8 Χ 10-4 W/m2/sr. Ο δορυφορικά ανιχνεύσιμος ελάχιστος πληθυσμός βακτηριδίων στην υδάτινη στήλη εκτιμάται σε 2,8 X108 κύτταρα/cm2. Βάσει της κάλυψης που εκτιμάται από την δορυφορική εικόνα, ο συνολικός πληθυσμός στην παρατηρημένη γαλακτερή θάλασσα εκτιμάται προσεγγιστικά σε 4x1022 βακτηριδιακά κύτταρα.
Η επόμενη γενία αισθητήρων χαμηλής φωτεινότητας, όπως εκπροσωπείται από το ημερίσιο/νυχτερινό κανάλι του συστήματος NPOESS (βλέπε Εικόνα 2 Β), προσφέρει την δυνατότητα βελτιωμένης ικανότητας παρατήρησης σε χαμηλό φωτισμό μέσω βελτιωμένου δυναμικού εύρους, υψηλότερο ποσοστό σήματος - θορύβου, βαθμονομημένα δεδομένα, υψηλότερη ραδιομετρική ανάλυση, καλύτερη χρονική ευκρίνεια και συμπληρωματική φασματική πληροφορία από άλλα κανάλια ραδιομετρικά και του ορατού/υπέρυθρου. Ο περιορισμός όμως της ευαισθησίας του σύμφωνα με τον παρόν σχεδιασμό στα μικρά μήκη κύματος το καθιστά λιγότερο κατάλληλο για την καταγραφή των μπλέ – πράσινων βιοφωταυγών εκπομπών. Κατά την προτεινόμενη φασματική συνάρτηση απόκρισης, το κατώφλι ακτινοβολίας εντοπισμού αυξάνεται στα 3.5 Χ 10-4 W/m2/sr (περίπου το ήμισυ της ευαισθησίας του παρόντος συστήματος OLS – VNIR). Δεδομένης της επιδεδειγμένης ικανότητας του να εντοπίζει ένα σπάνιο βιολογικό φαινόμενο και λαμβάνοντας υπόψιν την εμφανή εγγύτητα αυτών των σημάτων στο ελάχιστο ανιχνεύσιμο σήμα του αισθητήρα, ίσως αξίζει να διατηρηθεί η φασματική απόκριση στα μικρά μήκη κύματος του συστήματος.
Μια σπάνια ευκαιρία να αντιστοιχηθούν δορυφορικές παρατηρήσεις αισθητήρα χαμηλού φωτισμού με επιφανειακές αναφορές απέδωσε τις πρώτες δορυφορικές μετρήσεις βιοφωταύγειας από μια γαλακτερή θάλασσα. H τηλεπισκόπηση μπορεί να αποτελέσει το μόνο εφικτό μέσο εντοπισμού αυτής της υπεκφεύγουσας μορφής θαλάσσιας φωταύγειας. Για παράδειγμα, η αναπτυσσόμενες ημερίσιες τεχνικές τηλεπισκόπησης στην αποτίμηση της φυσιολογίας του φυτοπλαγκτού μπορεί να βοηθήσει στον προσδιορισμό περιοχών προτεραιότητας. Στην συνέχεια, η επιβεβαίωση παρουσίας του φαινομένου τηλεπισκοπικά θα επιτρέψει την προσέγγιση από εξειδικευμένη αποστολή παρατήρησης. Η συνδυασμένη παρατήρηση θα μας επιτρέψει να κατανοήσουμε καλύτερα τον ρόλο, την συμπεριφορά και της περιβαλλοντικές επιδράσεις των γαλακτερών θαλασσών, ενός μακροχρόνιου μυστηρίου της θαλασσινής παράδοσης.

[[category:Οικολογία]]

Εντοπισμός βιοφωταυγούς γαλακτερής θάλασσας από το διάστημα

2019-01-31T20:07:45Z

Pmagdaleneio:

''D. Miller, Steven H. D. Haddock, Christopher D. Elvidge, and Thomas F. Lee. '''Detection of a bioluminescent milky sea from space Steven'''''

[https://www.pnas.org/content/102/40/14181.full Πηγή]

== Περίληψη ==

Συχνά αναφερόμενες στην λαϊκή ναυτική αφήγηση, σουρεαλιστικές νυχτερινές εμφανίσεις, όπου η θαλάσσια επιφάνεια δημιουργούσε μια εκτενής, ομοιόμορφη και διαρκής λάμψη που εκτεινόνταν έως τον ορίζοντα προς όλες τις κατευθύνσεις, οι επονομαζόμενες γαλακτερές θάλασσες εικάζεται να είναι ενδείξεις μιας ασυνήθιστης βιοφωταυγείας που παράγεται από αποικίες βακτηριδίων σε σύνδεση με εκρήξη μικροαλγών στα επιφανειακά νερά. Εξαιτίας της εφήμερης φύσης τους και της έλλειψης επιστημονικών παρατηρήσεων, μια εξήγηση του φαινομένου έχει παραμείνει ασαφής. Στην πρώτη δορυφορική παρατηρήση του, το φαινομένου εμφανίζεται σεμια έκταση περίπου 15,400 km2 του Βορειοδυτικού Ινδικού Ωκεανού, κατά την διάρκεια τριών διαδοχικών νυχτών, έχοντας επιβεβαιωθεί την πρώτη νύχτα από το παρεβρισκόμενο πλοίο SS Lima. Αυτή η απροσδόκητη εφαρμογή της τηλεπισκόπησης παρείχε γνώση σχετικά με τον σχηματισμό και την κλίμακα αυτών των περιορισμένα κατανοητών φαινομένων.

'''Βακτηριδιακή βιοφωταύγεια|μικροβιακή οικολογία'''

== Εισαγωγή ==

Αν και έχουν παρατηρηθεί από ναυτικούς από τον 17ο αι., οι γαλακτερές θάλασσες έχουν ξεγλιστρήσει από την επιστημονικη έρευνα, με την εξαίρεση μιας επιτόπιας επιστημονικής παρατήρησης, όπου εκτίμηθηκε ότι η εκπομπή φωτός οφείλεται στα φωταυγή βακτηρίδια (Vibrio harveyi) που ζουν σε σύνδεση με τα μικροάλγη Phaeocystis. Παρόλα αυτά, λεπτομέρειες για τους μηχανισμούς σχηματισμού, την χωρική εξάπλωση, την παγκόσμια διασπορά, την εποχιακή διακύμανση και την οικολογική επίδραση των γαλακτερών θαλαρών παραμένουν σχεδόν παντελώς άγνωστες.
Από 235 ντοκουμένα σε ναυτικά ημερολόγια (υποκείμενα, όπως είναι φυσικό, στην ανθρώπινη αντίληψη και την λαϊκή ερμηνεία) γνωρίζουμε ότι μια τυπική γαλακτερή θάλασσα (ορατή μόνο την νύχτα) λάμπει συνεχόμενα πάνω από μια εκτενής περιοχή, είναι ανεξάρτητη από τον άνεμο, διαρκεί από μερικές ώρες έως μερικές μέρες, και μπορεί να συνδέεται με ωκεανογραφικά μέτωπα ή βιολογικα slicks. Το μεγαλύτερο μέρος των επεισοδίων (171) έχει καταγραφεί στον βορειοδυτικό Ινδικό ωκεανό, και ένα αξιόλογο στην Java της Ινδονησίας. Αν και οι παρατηρήσεις αφορούν σε ενεργούς θαλάσσιους δρόμους, δεν υπάρχουν αντίστοιχες για άλλες πολυσύχναστες περιοχές.
Μόνο δύο είδη φωτεινών οργανισμών θεωρούνται αιτιολογημένοι υποψήφιοι αυτής της εκπομπής: dinoflagellates και τα βακτήρια. Τα πρώτα, λόγω του τύπου φωταύγειας τους (ως απόκριση σε μηχανική διαταραχή, π.χ. θραυόμενος κυματισμός) θεωρούνται σχεδόν απίθανο να δώσουν διεγέρσεις που μπορούν να εντοπισθούν τηλεπισκοπικά. Τα δε φωτεινά βακτήρια, αν και μπορουν να εκπέμπουν μια διαρκές αλλά θαμπή λάμψη που μπορεί να διαρκέσει για πολλές μέρες κάτω από κατάλληλες συνθήκες, ελεύθερα είναι δύσκολο να προκαλέσουν σε γαλακτερές θάλασσες (λόγω του φαινομένου της αυτεπαγωγής, quorum sensing). H εκτιμώμενη σύνδεση των φωτεινών βακτηριδίων με αποικίες Phaeocystis (που λειτουργούν ως υπόστρωμα) θα παρείχε τέτοιες συνθήκες, ώστε ο πληθυσμός των φωτεινών βακτηρίων να μπορεί να εκπέμπει συνεχόμενα σε μια συχνότητα για παράδειγμα των 103 φωτονίων ανά sec ανά κύταρρο.

== Εργαλεία και Μέθοδοι ==

Αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε δεδομένα από Αμυντικό Μετεωρολογικό Δορυφορικό Πρόγραμμα της ΗΠΑ. Οι δορυφόροι του συστήματος OLS σε ύψος 833 km, πολικής περιστροφής, είναι σχεδιασμένοι να καταγράφουν την παγκόσμια νέφωση σε ηλιακό και σεληνιακό φωτισμό. Για τις νυχτερινές παρατηρήσεις, το σύστημα OLS χρησιμοποιεί έναν φωτοπολλαπλασιαστικό αγωγό για την συλλογή ακτινοβολίας στο φάσμα του ορατού και του εγγύς υπέρυθρου με ευαισθησία τεσσάρων τάξεων μεγαλύτερη από συμβατικούς ανιχνευτές, όπως αυτοί των προγραμμάτων AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) και Landsat Thematic Mapper. H γήινη εικόνα δημιουργείται μέσω ενός ταλαντευόμενου προτύπου σάρωσης, μέσο του εδαφικού ίχνους. Ένας σταθερός ρυθμός δείγματος και η μηχανική σμύκρινση του διαφράγματος ηλεκτρονίων PMT για το έξω τέταρτο κάθε γραμμής σάρωσης οδήγησε σε περίπου ίση περιοχή pixel (~2.8km) κατά μήκος του πλάτους 3,000 km της λωρίδας. Παρότι το νυχτερινό κανάλι VNIR παρέχει εξαιρετική πληροφορία αντίθεσης (contrast) σε μεγάλο δυναμικό εύρος, περιορίζεται από αδρή ραδιομετρική ανάλυση (ποσοτικοποίηση 8 – bit) και στερείται βαθμονόμησης. Επιπρόσθετα της καταγραφής της σεληνιακής αντανάκλασης, η ικανότητα δημιουργία εικόνας σε περιορισμένο φώς έχει χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό εδαφικών και ατμοσφαιρικών πηγών εκπομπών, όπως φωτιές, κεραυνούς και ανθρώπινη δραστηριότητα ανά τον κόσμο. Δεν υπάρχουν προτείτερες αναφορές της ικανότητας του OLS να εντοπίσει γαλακτερές θάλασσες ή άλλη βιοφωταυγεία.
Για να βελτιωθεί η οπτική αντίθεση μεταξύ της συνεκτικού πλέγματος εκπομπών γαλακτερής θάλασσας και του θορύβου βάθους του οργάνου, τα δεδομένα OLS – VNIR ενισχύθηκαν ψηφιακά. Πρώτον, η μέση ένταση της κάθε γραμμής σάρωσης αφαιρείται για να μειώθούν οι μεταβολές στην στάθμη του ηλεκτρικού θορύβου. Για να μειωθέι ο θόρυβος των λυχνιών φωτοπολλαπλασιασμού, ενα φίλτρο 3 – pixel εφαρμόσθηκε στην κατεύθυνση της σάρωσης. Αν τουλάχιστον 2 pixel υπέρβαίναν το κατώφλι ( που ορίζεται στο ~5% του βαθμού κορεσμού του ανιχνευτή), τότε και τα 3 pixel ορίζονταν στην τιμή κορεσμού, διαφορετικά και τα 3 pixel ορίζονταν στο 0. Αυτή η διαδικασία επαναλαμβανόταν σε μια κατα μήκος διεύθυνση. Τέλος, ενα φίλτρο 8 – pixel εφαρμόζεται,και τα δεδομένα εξισσοροπούνται βάσει του ιστογραφήματος. Η ενίσχυση οδηγεί στην συγκέντρωση των συνεκτικών στοιχείων και στην απόκρυψη του τυχαίου θορύβου.
Παράλληλα, για την καταγραφή του φάσματος εκπομπών των βακτηριδίων, αναπτύχθηκε εργαστηριακά πληθυσμός του είδους Vibrio fischeri, το οποίο θεωρείται υπέυθυνο για το φαινόμενο της γαλακτερής θάλλασας . (Τα φάσματα εκπομπών που έχουν καταγράφηκε για πολλά διαφορετικά είδη από φωταυγή βακτήρια δίνουν τιμές αιχμής στα 490 nm και ήμισυ του ζωνικού εύρους 70 nm). Σε αυτό το σημείο, επισημαίνεται ότι το φάσμα των βακτηριδίων δεν υπερκαλύπτει πλήρως αυτή την συνάρτηση απόκρισης του αισθητήρα του ανιχνευτή, μόνο ένα τμήμα του συνολικού εκπεμπόμενου φωτός θα εντοπισθεί, που σημαίνει ότι τα βακτηρίδια πρέπει να παράγουν περισσότερο φως από το ελάχιστο ονομαστικό ανισχεύσιμο σήμα του οργάνου (MSD) για να εντοπισθούν. Για αυτό τον λόγο, εκτιμάται υπολογιστικά ένα ποσοστό του κανονικοποιημένου φάσματος εκπομπής των βακτηριδίων που ανιχνεύεται από τον δορυφορικό αισθητήρα, με το οποίο διαιρείται το ονομαστικό ανιχνεύσιμο σήμα του οργάνου για να προκύψει ένα κατώφλι βακτηριδιακής ακτινοβολίας πάνω από το οποίο επιτυγχάνεται η δορυφορική ανίχνευση. Για ένα επίπεδo εκπομπών κοντά στην επιφάνεια (με την σκέδαση μέσα στο νερό και την απορρόφηση να αγνοείται) και για ένα εκτιμώμενο βαθμό παραγωγής φωτονίων ανά κύτταρο, εκτιμήθηκε ο ελάχιστος βακτηριδιακός πληθυσμός που απαιτείται για να παράξει το κατώφλι ανίχνευσης. Στην συνέχεια με δεδομένη την έκταση του φαινομένου όπως καταγράφηκε από τον δορυφόρο, υπολογίσθηκε μια συνολικός πληθυσμός βακτηριδιακών κυττάρων συντηρητικά βάσει του ελάχιστου βακτηριδιακού πληθυσμού.

[[Εικόνα:pipinimbiolumiimage01|thumb|center|Εικόνα 1 Περιοχές μελέτης (πάνω) που αντιστοιχούν στις αφιλτράριστες (A-C) και φλιτραρισμένες δορυφορικές απεικονίσεις την νύχτα της παρατήρησης του SS Lima. (Α και D) 25/01/1995 1836 GMT (B και Ε) 26/01/1995 1804 GMT (C και F) 27/01/1995 1725 GMT. Τα βέλη στην F δείχνουν πλασματικές παρατηρήσεις που οφείλονται στον χαμηλό λόγο σήματος – θορύβου. Στην D φαίνεται απεικονίζεται ο διάπλους του SS Lima (διακεκομένη γραμμή) και οι θέσης της πρώτης θέασης (σημείο a) και της εξόδου από την γαλακτερή θάλασσα (σημείο b), βάσει των λεπτομερών αναφορών του πλοίου.]]

[[Εικόνα:pipinimbiolumiimage02|thumb|right|Εικόνα 2 Εργαστηριακή εκπομπή φάσματος βιοφωταυγών βακτηριδίων (μαύρο) συγκρινόμενη με συναρτήσεις φασματικής απόκρισης. Τα δεδομένα δείχνονται από το νυχτερινό ορατό κανάλι OLS του προγράμματος U.S. Defense Meteorological Satellite Program – του αισθητήρα που χρησιμοποιείται στην μελέτη – (A) και του προτεινόμενου ημερίσιου/νυχτερινού καναλιού του National Polar-orbiting Operational Environmental Satellite System VisibleInfrared ImagerRadiometer Suite (Β). Οι επικαλυπτόμενες περιοχές δείχνονται με γκρί.]]

== Αποτελέσματα και συζήτηση ==

Ο τηλεπισκοπικός εντοπισμός ενος σχετικά ασθενούς φωτεινού σήματος όπως το βιοφωταυγές εξαρτάται από την χωρική έκταση, την ομοιογένεια, και το αποτέλεσμα της ατμοσφαιρικής εξασθένισης και απαιτεί την απουσία φωτεινής ρύπανσης από άλλες πηγές. Εξετάσθηκε αρχείο αναφορών πλοίων στο φαινόμενο από το 1992, το οποίο αντιστοιχούσε σε διαθέσιμα δορυφορικά δεδομένα OLS, για κάποια με ευνοϊκές συνθήκες εντοπισμού Από την διαδικασία αυτή επιλέχθηκε το μελετώμενο περιστατικό.
Η ανεπεξέργαστη νυχτερινή απεικόνιση στο ορατό OLS, η οποία συμπίπτει κατά μια μιση ώρα στην επιτόπια παρατήρηση, καταδεικνύει την παρουσία ενός μεγάλου, φωτεινού στοιχείου κοντά στην τοποθεσία, που παραμένει για τις ακόλουθες δύο νύχτες. Η ψηφιακή ενίσχυση και το φιλτράρισμα της εικόνας απομονώνουν περισσότερο το συνεκτικό στοιχείο από τον θόρυβο βάθους. Οι θέσεις πορείας του πλοίου (η θέση κατά την είσοδο και κατά την έξοδο από την γαλακτερή θάλασσα) έχουν στενή αντιστοιχία με τα όρια του αντικειμένου της δορυφορικής παρατήρησης.
Η δορυφορική οπτική αποκαλύπτει ότι το φαινόμενο καταλαμβάνει έκταση τουλάχιστον 15,400km2 στις 25 Ιανουαρίου 1995 και επεκτείνεται σε έκταση > 17,700 km2 την επόμενη μέρα. Η παραμονή του φαινομένου για πολλές μέρες είναι συνεπής με προηγούμενα ευρήματα και επιτρέπει την εξέταση της χωρικής εξέλιξης σε σύνδεση με την τοπικά θαλλάσια ρεύματα. Η παρατηρούμενη μεταφορά και περιστροφή της φωτεινής δομής για τρεις νύχτες ήταν συνεπής με μια δίνη ψυχρού πυρήνα από την μοντελοποίηση των ωκεάνιων ρευμάτων. Οι συνθήκες που διαπιστώθηκαν (παρουσία ψυχρών δινών και υποθαλλάσια δάση kelp) προτιμώνται από αποικίες φωτοπλαγκτόν, οι οποίες όντας σε ανάπτυξη μπορούν να προσφέρουν ένα υπόστρωμα για τον εποικισμό απο φωταυγή βακτήρια.
Για να αξιολογήσουμε τις απαιτήσεις εκπομπών βάση της υπόθεσης βακτηριακής πηγής, συγκρίναμε την φασματική ευαισθησία του δορυφορικού αισθητήρα με το φάσμα εκπομπών των βακτηριδίων. H απόδοση της ανίχνευσης, όπως εκτιμήθηκε στο 22%, δίνει κατώφλι ακτινοβολίας των εκπομπών των βακτηριδίων 1.8 Χ 10-4 W/m2/sr. Ο δορυφορικά ανιχνεύσιμος ελάχιστος πληθυσμός βακτηριδίων στην υδάτινη στήλη εκτιμάται σε 2,8 X108 κύτταρα/cm2. Βάσει της κάλυψης που εκτιμάται από την δορυφορική εικόνα, ο συνολικός πληθυσμός στην παρατηρημένη γαλακτερή θάλασσα εκτιμάται προσεγγιστικά σε 4x1022 βακτηριδιακά κύτταρα.
Η επόμενη γενία αισθητήρων χαμηλής φωτεινότητας, όπως εκπροσωπείται από το ημερίσιο/νυχτερινό κανάλι του συστήματος NPOESS (βλέπε Εικόνα 2 Β), προσφέρει την δυνατότητα βελτιωμένης ικανότητας παρατήρησης σε χαμηλό φωτισμό μέσω βελτιωμένου δυναμικού εύρους, υψηλότερο ποσοστό σήματος - θορύβου, βαθμονομημένα δεδομένα, υψηλότερη ραδιομετρική ανάλυση, καλύτερη χρονική ευκρίνεια και συμπληρωματική φασματική πληροφορία από άλλα κανάλια ραδιομετρικά και του ορατού/υπέρυθρου. Ο περιορισμός όμως της ευαισθησίας του σύμφωνα με τον παρόν σχεδιασμό στα μικρά μήκη κύματος το καθιστά λιγότερο κατάλληλο για την καταγραφή των μπλέ – πράσινων βιοφωταυγών εκπομπών. Κατά την προτεινόμενη φασματική συνάρτηση απόκρισης, το κατώφλι ακτινοβολίας εντοπισμού αυξάνεται στα 3.5 Χ 10-4 W/m2/sr (περίπου το ήμισυ της ευαισθησίας του παρόντος συστήματος OLS – VNIR). Δεδομένης της επιδεδειγμένης ικανότητας του να εντοπίζει ένα σπάνιο βιολογικό φαινόμενο και λαμβάνοντας υπόψιν την εμφανή εγγύτητα αυτών των σημάτων στο ελάχιστο ανιχνεύσιμο σήμα του αισθητήρα, ίσως αξίζει να διατηρηθεί η φασματική απόκριση στα μικρά μήκη κύματος του συστήματος.
Μια σπάνια ευκαιρία να αντιστοιχηθούν δορυφορικές παρατηρήσεις αισθητήρα χαμηλού φωτισμού με επιφανειακές αναφορές απέδωσε τις πρώτες δορυφορικές μετρήσεις βιοφωταύγειας από μια γαλακτερή θάλασσα. H τηλεπισκόπηση μπορεί να αποτελέσει το μόνο εφικτό μέσο εντοπισμού αυτής της υπεκφεύγουσας μορφής θαλάσσιας φωταύγειας. Για παράδειγμα, η αναπτυσσόμενες ημερίσιες τεχνικές τηλεπισκόπησης στην αποτίμηση της φυσιολογίας του φυτοπλαγκτού μπορεί να βοηθήσει στον προσδιορισμό περιοχών προτεραιότητας. Στην συνέχεια, η επιβεβαίωση παρουσίας του φαινομένου τηλεπισκοπικά θα επιτρέψει την προσέγγιση από εξειδικευμένη αποστολή παρατήρησης. Η συνδυασμένη παρατήρηση θα μας επιτρέψει να κατανοήσουμε καλύτερα τον ρόλο, την συμπεριφορά και της περιβαλλοντικές επιδράσεις των γαλακτερών θαλασσών, ενός μακροχρόνιου μυστηρίου της θαλασσινής παράδοσης.

[[category:Οικολογία]]

Εντοπισμός βιοφωταυγούς γαλακτερής θάλασσας από το διάστημα

2019-01-31T20:06:03Z

Pmagdaleneio:

''D. Miller, Steven H. D. Haddock, Christopher D. Elvidge, and Thomas F. Lee. '''Detection of a bioluminescent milky sea from space Steven'''''

[https://www.pnas.org/content/102/40/14181.full Πηγή]

== Περίληψη ==

Συχνά αναφερόμενες στην λαϊκή ναυτική αφήγηση, σουρεαλιστικές νυχτερινές εμφανίσεις, όπου η θαλάσσια επιφάνεια δημιουργούσε μια εκτενής, ομοιόμορφη και διαρκής λάμψη που εκτεινόνταν έως τον ορίζοντα προς όλες τις κατευθύνσεις, οι επονομαζόμενες γαλακτερές θάλασσες εικάζεται να είναι ενδείξεις μιας ασυνήθιστης βιοφωταυγείας που παράγεται από αποικίες βακτηριδίων σε σύνδεση με εκρήξη μικροαλγών στα επιφανειακά νερά. Εξαιτίας της εφήμερης φύσης τους και της έλλειψης επιστημονικών παρατηρήσεων, μια εξήγηση του φαινομένου έχει παραμείνει ασαφής. Στην πρώτη δορυφορική παρατηρήση του, το φαινομένου εμφανίζεται σεμια έκταση περίπου 15,400 km2 του Βορειοδυτικού Ινδικού Ωκεανού, κατά την διάρκεια τριών διαδοχικών νυχτών, έχοντας επιβεβαιωθεί την πρώτη νύχτα από το παρεβρισκόμενο πλοίο SS Lima. Αυτή η απροσδόκητη εφαρμογή της τηλεπισκόπησης παρείχε γνώση σχετικά με τον σχηματισμό και την κλίμακα αυτών των περιορισμένα κατανοητών φαινομένων.

'''Βακτηριδιακή βιοφωταύγεια|μικροβιακή οικολογία'''

== Εισαγωγή ==

Αν και έχουν παρατηρηθεί από ναυτικούς από τον 17ο αι., οι γαλακτερές θάλασσες έχουν ξεγλιστρήσει από την επιστημονικη έρευνα, με την εξαίρεση μιας επιτόπιας επιστημονικής παρατήρησης, όπου εκτίμηθηκε ότι η εκπομπή φωτός οφείλεται στα φωταυγή βακτηρίδια (Vibrio harveyi) που ζουν σε σύνδεση με τα μικροάλγη Phaeocystis. Παρόλα αυτά, λεπτομέρειες για τους μηχανισμούς σχηματισμού, την χωρική εξάπλωση, την παγκόσμια διασπορά, την εποχιακή διακύμανση και την οικολογική επίδραση των γαλακτερών θαλαρών παραμένουν σχεδόν παντελώς άγνωστες.
Από 235 ντοκουμένα σε ναυτικά ημερολόγια (υποκείμενα, όπως είναι φυσικό, στην ανθρώπινη αντίληψη και την λαϊκή ερμηνεία) γνωρίζουμε ότι μια τυπική γαλακτερή θάλασσα (ορατή μόνο την νύχτα) λάμπει συνεχόμενα πάνω από μια εκτενής περιοχή, είναι ανεξάρτητη από τον άνεμο, διαρκεί από μερικές ώρες έως μερικές μέρες, και μπορεί να συνδέεται με ωκεανογραφικά μέτωπα ή βιολογικα slicks. Το μεγαλύτερο μέρος των επεισοδίων (171) έχει καταγραφεί στον βορειοδυτικό Ινδικό ωκεανό, και ένα αξιόλογο στην Java της Ινδονησίας. Αν και οι παρατηρήσεις αφορούν σε ενεργούς θαλάσσιους δρόμους, δεν υπάρχουν αντίστοιχες για άλλες πολυσύχναστες περιοχές.
Μόνο δύο είδη φωτεινών οργανισμών θεωρούνται αιτιολογημένοι υποψήφιοι αυτής της εκπομπής: dinoflagellates και τα βακτήρια. Τα πρώτα, λόγω του τύπου φωταύγειας τους (ως απόκριση σε μηχανική διαταραχή, π.χ. θραυόμενος κυματισμός) θεωρούνται σχεδόν απίθανο να δώσουν διεγέρσεις που μπορούν να εντοπισθούν τηλεπισκοπικά. Τα δε φωτεινά βακτήρια, αν και μπορουν να εκπέμπουν μια διαρκές αλλά θαμπή λάμψη που μπορεί να διαρκέσει για πολλές μέρες κάτω από κατάλληλες συνθήκες, ελεύθερα είναι δύσκολο να προκαλέσουν σε γαλακτερές θάλασσες (λόγω του φαινομένου της αυτεπαγωγής, quorum sensing). H εκτιμώμενη σύνδεση των φωτεινών βακτηριδίων με αποικίες Phaeocystis (που λειτουργούν ως υπόστρωμα) θα παρείχε τέτοιες συνθήκες, ώστε ο πληθυσμός των φωτεινών βακτηρίων να μπορεί να εκπέμπει συνεχόμενα σε μια συχνότητα για παράδειγμα των 103 φωτονίων ανά sec ανά κύταρρο.

== Εργαλεία και Μέθοδοι ==

Αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε δεδομένα από Αμυντικό Μετεωρολογικό Δορυφορικό Πρόγραμμα της ΗΠΑ. Οι δορυφόροι του συστήματος OLS σε ύψος 833 km, πολικής περιστροφής, είναι σχεδιασμένοι να καταγράφουν την παγκόσμια νέφωση σε ηλιακό και σεληνιακό φωτισμό. Για τις νυχτερινές παρατηρήσεις, το σύστημα OLS χρησιμοποιεί έναν φωτοπολλαπλασιαστικό αγωγό για την συλλογή ακτινοβολίας στο φάσμα του ορατού και του εγγύς υπέρυθρου με ευαισθησία τεσσάρων τάξεων μεγαλύτερη από συμβατικούς ανιχνευτές, όπως αυτοί των προγραμμάτων AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) και Landsat Thematic Mapper. H γήινη εικόνα δημιουργείται μέσω ενός ταλαντευόμενου προτύπου σάρωσης, μέσο του εδαφικού ίχνους. Ένας σταθερός ρυθμός δείγματος και η μηχανική σμύκρινση του διαφράγματος ηλεκτρονίων PMT για το έξω τέταρτο κάθε γραμμής σάρωσης οδήγησε σε περίπου ίση περιοχή pixel (~2.8km) κατά μήκος του πλάτους 3,000 km της λωρίδας. Παρότι το νυχτερινό κανάλι VNIR παρέχει εξαιρετική πληροφορία αντίθεσης (contrast) σε μεγάλο δυναμικό εύρος, περιορίζεται από αδρή ραδιομετρική ανάλυση (ποσοτικοποίηση 8 – bit) και στερείται βαθμονόμησης. Επιπρόσθετα της καταγραφής της σεληνιακής αντανάκλασης, η ικανότητα δημιουργία εικόνας σε περιορισμένο φώς έχει χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό εδαφικών και ατμοσφαιρικών πηγών εκπομπών, όπως φωτιές, κεραυνούς και ανθρώπινη δραστηριότητα ανά τον κόσμο. Δεν υπάρχουν προτείτερες αναφορές της ικανότητας του OLS να εντοπίσει γαλακτερές θάλασσες ή άλλη βιοφωταυγεία.
Για να βελτιωθεί η οπτική αντίθεση μεταξύ της συνεκτικού πλέγματος εκπομπών γαλακτερής θάλασσας και του θορύβου βάθους του οργάνου, τα δεδομένα OLS – VNIR ενισχύθηκαν ψηφιακά. Πρώτον, η μέση ένταση της κάθε γραμμής σάρωσης αφαιρείται για να μειώθούν οι μεταβολές στην στάθμη του ηλεκτρικού θορύβου. Για να μειωθέι ο θόρυβος των λυχνιών φωτοπολλαπλασιασμού, ενα φίλτρο 3 – pixel εφαρμόσθηκε στην κατεύθυνση της σάρωσης. Αν τουλάχιστον 2 pixel υπέρβαίναν το κατώφλι ( που ορίζεται στο ~5% του βαθμού κορεσμού του ανιχνευτή), τότε και τα 3 pixel ορίζονταν στην τιμή κορεσμού, διαφορετικά και τα 3 pixel ορίζονταν στο 0. Αυτή η διαδικασία επαναλαμβανόταν σε μια κατα μήκος διεύθυνση. Τέλος, ενα φίλτρο 8 – pixel εφαρμόζεται,και τα δεδομένα εξισσοροπούνται βάσει του ιστογραφήματος. Η ενίσχυση οδηγεί στην συγκέντρωση των συνεκτικών στοιχείων και στην απόκρυψη του τυχαίου θορύβου.
Παράλληλα, για την καταγραφή του φάσματος εκπομπών των βακτηριδίων, αναπτύχθηκε εργαστηριακά πληθυσμός του είδους Vibrio fischeri, το οποίο θεωρείται υπέυθυνο για το φαινόμενο της γαλακτερής θάλλασας . (Τα φάσματα εκπομπών που έχουν καταγράφηκε για πολλά διαφορετικά είδη από φωταυγή βακτήρια δίνουν τιμές αιχμής στα 490 nm και ήμισυ του ζωνικού εύρους 70 nm). Σε αυτό το σημείο, επισημαίνεται ότι το φάσμα των βακτηριδίων δεν υπερκαλύπτει πλήρως αυτή την συνάρτηση απόκρισης του αισθητήρα του ανιχνευτή, μόνο ένα τμήμα του συνολικού εκπεμπόμενου φωτός θα εντοπισθεί, που σημαίνει ότι τα βακτηρίδια πρέπει να παράγουν περισσότερο φως από το ελάχιστο ονομαστικό ανισχεύσιμο σήμα του οργάνου (MSD) για να εντοπισθούν. Για αυτό τον λόγο, εκτιμάται υπολογιστικά ένα ποσοστό του κανονικοποιημένου φάσματος εκπομπής των βακτηριδίων που ανιχνεύεται από τον δορυφορικό αισθητήρα, με το οποίο διαιρείται το ονομαστικό ανιχνεύσιμο σήμα του οργάνου για να προκύψει ένα κατώφλι βακτηριδιακής ακτινοβολίας πάνω από το οποίο επιτυγχάνεται η δορυφορική ανίχνευση. Για ένα επίπεδo εκπομπών κοντά στην επιφάνεια (με την σκέδαση μέσα στο νερό και την απορρόφηση να αγνοείται) και για ένα εκτιμώμενο βαθμό παραγωγής φωτονίων ανά κύτταρο, εκτιμήθηκε ο ελάχιστος βακτηριδιακός πληθυσμός που απαιτείται για να παράξει το κατώφλι ανίχνευσης. Στην συνέχεια με δεδομένη την έκταση του φαινομένου όπως καταγράφηκε από τον δορυφόρο, υπολογίσθηκε μια συνολικός πληθυσμός βακτηριδιακών κυττάρων συντηρητικά βάσει του ελάχιστου βακτηριδιακού πληθυσμού.

[[Εικόνα:pipinimbiolumiimage01|thumb|right|Εικόνα 1 Περιοχές μελέτης (πάνω) που αντιστοιχούν στις αφιλτράριστες (A-C) και φλιτραρισμένες δορυφορικές απεικονίσεις την νύχτα της παρατήρησης του SS Lima. (Α και D) 25/01/1995 1836 GMT (B και Ε) 26/01/1995 1804 GMT (C και F) 27/01/1995 1725 GMT. Τα βέλη στην F δείχνουν πλασματικές παρατηρήσεις που οφείλονται στον χαμηλό λόγο σήματος – θορύβου. Στην D φαίνεται απεικονίζεται ο διάπλους του SS Lima (διακεκομένη γραμμή) και οι θέσης της πρώτης θέασης (σημείο a) και της εξόδου από την γαλακτερή θάλασσα (σημείο b), βάσει των λεπτομερών αναφορών του πλοίου.]]

[[Εικόνα:pipinimbiolumiimage02|thumb|right|Εικόνα 2 Εργαστηριακή εκπομπή φάσματος βιοφωταυγών βακτηριδίων (μαύρο) συγκρινόμενη με συναρτήσεις φασματικής απόκρισης. Τα δεδομένα δείχνονται από το νυχτερινό ορατό κανάλι OLS του προγράμματος U.S. Defense Meteorological Satellite Program – του αισθητήρα που χρησιμοποιείται στην μελέτη – (A) και του προτεινόμενου ημερίσιου/νυχτερινού καναλιού του National Polar-orbiting Operational Environmental Satellite System VisibleInfrared ImagerRadiometer Suite (Β). Οι επικαλυπτόμενες περιοχές δείχνονται με γκρί.]]

== Αποτελέσματα και συζήτηση ==

Ο τηλεπισκοπικός εντοπισμός ενος σχετικά ασθενούς φωτεινού σήματος όπως το βιοφωταυγές εξαρτάται από την χωρική έκταση, την ομοιογένεια, και το αποτέλεσμα της ατμοσφαιρικής εξασθένισης και απαιτεί την απουσία φωτεινής ρύπανσης από άλλες πηγές. Εξετάσθηκε αρχείο αναφορών πλοίων στο φαινόμενο από το 1992, το οποίο αντιστοιχούσε σε διαθέσιμα δορυφορικά δεδομένα OLS, για κάποια με ευνοϊκές συνθήκες εντοπισμού Από την διαδικασία αυτή επιλέχθηκε το μελετώμενο περιστατικό.
Η ανεπεξέργαστη νυχτερινή απεικόνιση στο ορατό OLS, η οποία συμπίπτει κατά μια μιση ώρα στην επιτόπια παρατήρηση, καταδεικνύει την παρουσία ενός μεγάλου, φωτεινού στοιχείου κοντά στην τοποθεσία, που παραμένει για τις ακόλουθες δύο νύχτες. Η ψηφιακή ενίσχυση και το φιλτράρισμα της εικόνας απομονώνουν περισσότερο το συνεκτικό στοιχείο από τον θόρυβο βάθους. Οι θέσεις πορείας του πλοίου (η θέση κατά την είσοδο και κατά την έξοδο από την γαλακτερή θάλασσα) έχουν στενή αντιστοιχία με τα όρια του αντικειμένου της δορυφορικής παρατήρησης.
Η δορυφορική οπτική αποκαλύπτει ότι το φαινόμενο καταλαμβάνει έκταση τουλάχιστον 15,400km2 στις 25 Ιανουαρίου 1995 και επεκτείνεται σε έκταση > 17,700 km2 την επόμενη μέρα. Η παραμονή του φαινομένου για πολλές μέρες είναι συνεπής με προηγούμενα ευρήματα και επιτρέπει την εξέταση της χωρικής εξέλιξης σε σύνδεση με την τοπικά θαλλάσια ρεύματα. Η παρατηρούμενη μεταφορά και περιστροφή της φωτεινής δομής για τρεις νύχτες ήταν συνεπής με μια δίνη ψυχρού πυρήνα από την μοντελοποίηση των ωκεάνιων ρευμάτων. Οι συνθήκες που διαπιστώθηκαν (παρουσία ψυχρών δινών και υποθαλλάσια δάση kelp) προτιμώνται από αποικίες φωτοπλαγκτόν, οι οποίες όντας σε ανάπτυξη μπορούν να προσφέρουν ένα υπόστρωμα για τον εποικισμό απο φωταυγή βακτήρια.
Για να αξιολογήσουμε τις απαιτήσεις εκπομπών βάση της υπόθεσης βακτηριακής πηγής, συγκρίναμε την φασματική ευαισθησία του δορυφορικού αισθητήρα με το φάσμα εκπομπών των βακτηριδίων. H απόδοση της ανίχνευσης, όπως εκτιμήθηκε στο 22%, δίνει κατώφλι ακτινοβολίας των εκπομπών των βακτηριδίων 1.8 Χ 10-4 W/m2/sr. Ο δορυφορικά ανιχνεύσιμος ελάχιστος πληθυσμός βακτηριδίων στην υδάτινη στήλη εκτιμάται σε 2,8 X108 κύτταρα/cm2. Βάσει της κάλυψης που εκτιμάται από την δορυφορική εικόνα, ο συνολικός πληθυσμός στην παρατηρημένη γαλακτερή θάλασσα εκτιμάται προσεγγιστικά σε 4x1022 βακτηριδιακά κύτταρα.
Η επόμενη γενία αισθητήρων χαμηλής φωτεινότητας, όπως εκπροσωπείται από το ημερίσιο/νυχτερινό κανάλι του συστήματος NPOESS (βλέπε Εικόνα 2 Β), προσφέρει την δυνατότητα βελτιωμένης ικανότητας παρατήρησης σε χαμηλό φωτισμό μέσω βελτιωμένου δυναμικού εύρους, υψηλότερο ποσοστό σήματος - θορύβου, βαθμονομημένα δεδομένα, υψηλότερη ραδιομετρική ανάλυση, καλύτερη χρονική ευκρίνεια και συμπληρωματική φασματική πληροφορία από άλλα κανάλια ραδιομετρικά και του ορατού/υπέρυθρου. Ο περιορισμός όμως της ευαισθησίας του σύμφωνα με τον παρόν σχεδιασμό στα μικρά μήκη κύματος το καθιστά λιγότερο κατάλληλο για την καταγραφή των μπλέ – πράσινων βιοφωταυγών εκπομπών. Κατά την προτεινόμενη φασματική συνάρτηση απόκρισης, το κατώφλι ακτινοβολίας εντοπισμού αυξάνεται στα 3.5 Χ 10-4 W/m2/sr (περίπου το ήμισυ της ευαισθησίας του παρόντος συστήματος OLS – VNIR). Δεδομένης της επιδεδειγμένης ικανότητας του να εντοπίζει ένα σπάνιο βιολογικό φαινόμενο και λαμβάνοντας υπόψιν την εμφανή εγγύτητα αυτών των σημάτων στο ελάχιστο ανιχνεύσιμο σήμα του αισθητήρα, ίσως αξίζει να διατηρηθεί η φασματική απόκριση στα μικρά μήκη κύματος του συστήματος.
Μια σπάνια ευκαιρία να αντιστοιχηθούν δορυφορικές παρατηρήσεις αισθητήρα χαμηλού φωτισμού με επιφανειακές αναφορές απέδωσε τις πρώτες δορυφορικές μετρήσεις βιοφωταύγειας από μια γαλακτερή θάλασσα. H τηλεπισκόπηση μπορεί να αποτελέσει το μόνο εφικτό μέσο εντοπισμού αυτής της υπεκφεύγουσας μορφής θαλάσσιας φωταύγειας. Για παράδειγμα, η αναπτυσσόμενες ημερίσιες τεχνικές τηλεπισκόπησης στην αποτίμηση της φυσιολογίας του φυτοπλαγκτού μπορεί να βοηθήσει στον προσδιορισμό περιοχών προτεραιότητας. Στην συνέχεια, η επιβεβαίωση παρουσίας του φαινομένου τηλεπισκοπικά θα επιτρέψει την προσέγγιση από εξειδικευμένη αποστολή παρατήρησης. Η συνδυασμένη παρατήρηση θα μας επιτρέψει να κατανοήσουμε καλύτερα τον ρόλο, την συμπεριφορά και της περιβαλλοντικές επιδράσεις των γαλακτερών θαλασσών, ενός μακροχρόνιου μυστηρίου της θαλασσινής παράδοσης.

[[category:Οικολογία]]

Εντοπισμός βιοφωταυγούς γαλακτερής θάλασσας από το διάστημα

2019-01-31T20:04:34Z

Pmagdaleneio:

''D. Miller, Steven H. D. Haddock, Christopher D. Elvidge, and Thomas F. Lee. '''Detection of a bioluminescent milky sea from space Steven'''''

[https://www.pnas.org/content/102/40/14181.full Πηγή]

== Περίληψη ==

Συχνά αναφερόμενες στην λαϊκή ναυτική αφήγηση, σουρεαλιστικές νυχτερινές εμφανίσεις, όπου η θαλάσσια επιφάνεια δημιουργούσε μια εκτενής, ομοιόμορφη και διαρκής λάμψη που εκτεινόνταν έως τον ορίζοντα προς όλες τις κατευθύνσεις, οι επονομαζόμενες γαλακτερές θάλασσες εικάζεται να είναι ενδείξεις μιας ασυνήθιστης βιοφωταυγείας που παράγεται από αποικίες βακτηριδίων σε σύνδεση με εκρήξη μικροαλγών στα επιφανειακά νερά. Εξαιτίας της εφήμερης φύσης τους και της έλλειψης επιστημονικών παρατηρήσεων, μια εξήγηση του φαινομένου έχει παραμείνει ασαφής. Στην πρώτη δορυφορική παρατηρήση του, το φαινομένου εμφανίζεται σεμια έκταση περίπου 15,400 km2 του Βορειοδυτικού Ινδικού Ωκεανού, κατά την διάρκεια τριών διαδοχικών νυχτών, έχοντας επιβεβαιωθεί την πρώτη νύχτα από το παρεβρισκόμενο πλοίο SS Lima. Αυτή η απροσδόκητη εφαρμογή της τηλεπισκόπησης παρείχε γνώση σχετικά με τον σχηματισμό και την κλίμακα αυτών των περιορισμένα κατανοητών φαινομένων.

'''Βακτηριδιακή βιοφωταύγεια|μικροβιακή οικολογία'''

== Εισαγωγή ==

Αν και έχουν παρατηρηθεί από ναυτικούς από τον 17ο αι., οι γαλακτερές θάλασσες έχουν ξεγλιστρήσει από την επιστημονικη έρευνα, με την εξαίρεση μιας επιτόπιας επιστημονικής παρατήρησης, όπου εκτίμηθηκε ότι η εκπομπή φωτός οφείλεται στα φωταυγή βακτηρίδια (Vibrio harveyi) που ζουν σε σύνδεση με τα μικροάλγη Phaeocystis. Παρόλα αυτά, λεπτομέρειες για τους μηχανισμούς σχηματισμού, την χωρική εξάπλωση, την παγκόσμια διασπορά, την εποχιακή διακύμανση και την οικολογική επίδραση των γαλακτερών θαλαρών παραμένουν σχεδόν παντελώς άγνωστες.
Από 235 ντοκουμένα σε ναυτικά ημερολόγια (υποκείμενα, όπως είναι φυσικό, στην ανθρώπινη αντίληψη και την λαϊκή ερμηνεία) γνωρίζουμε ότι μια τυπική γαλακτερή θάλασσα (ορατή μόνο την νύχτα) λάμπει συνεχόμενα πάνω από μια εκτενής περιοχή, είναι ανεξάρτητη από τον άνεμο, διαρκεί από μερικές ώρες έως μερικές μέρες, και μπορεί να συνδέεται με ωκεανογραφικά μέτωπα ή βιολογικα slicks. Το μεγαλύτερο μέρος των επεισοδίων (171) έχει καταγραφεί στον βορειοδυτικό Ινδικό ωκεανό, και ένα αξιόλογο στην Java της Ινδονησίας. Αν και οι παρατηρήσεις αφορούν σε ενεργούς θαλάσσιους δρόμους, δεν υπάρχουν αντίστοιχες για άλλες πολυσύχναστες περιοχές.
Μόνο δύο είδη φωτεινών οργανισμών θεωρούνται αιτιολογημένοι υποψήφιοι αυτής της εκπομπής: dinoflagellates και τα βακτήρια. Τα πρώτα, λόγω του τύπου φωταύγειας τους (ως απόκριση σε μηχανική διαταραχή, π.χ. θραυόμενος κυματισμός) θεωρούνται σχεδόν απίθανο να δώσουν διεγέρσεις που μπορούν να εντοπισθούν τηλεπισκοπικά. Τα δε φωτεινά βακτήρια, αν και μπορουν να εκπέμπουν μια διαρκές αλλά θαμπή λάμψη που μπορεί να διαρκέσει για πολλές μέρες κάτω από κατάλληλες συνθήκες, ελεύθερα είναι δύσκολο να προκαλέσουν σε γαλακτερές θάλασσες (λόγω του φαινομένου της αυτεπαγωγής, quorum sensing). H εκτιμώμενη σύνδεση των φωτεινών βακτηριδίων με αποικίες Phaeocystis (που λειτουργούν ως υπόστρωμα) θα παρείχε τέτοιες συνθήκες, ώστε ο πληθυσμός των φωτεινών βακτηρίων να μπορεί να εκπέμπει συνεχόμενα σε μια συχνότητα για παράδειγμα των 103 φωτονίων ανά sec ανά κύταρρο.

== Εργαλεία και Μέθοδοι ==

[[Εικόνα:pipinimbiolumiimage01|thumb|right|Εικόνα 1 Περιοχές μελέτης (πάνω) που αντιστοιχούν στις αφιλτράριστες (A-C) και φλιτραρισμένες δορυφορικές απεικονίσεις την νύχτα της παρατήρησης του SS Lima. (Α και D) 25/01/1995 1836 GMT (B και Ε) 26/01/1995 1804 GMT (C και F) 27/01/1995 1725 GMT. Τα βέλη στην F δείχνουν πλασματικές παρατηρήσεις που οφείλονται στον χαμηλό λόγο σήματος – θορύβου. Στην D φαίνεται απεικονίζεται ο διάπλους του SS Lima (διακεκομένη γραμμή) και οι θέσης της πρώτης θέασης (σημείο a) και της εξόδου από την γαλακτερή θάλασσα (σημείο b), βάσει των λεπτομερών αναφορών του πλοίου.]]
[[Εικόνα:pipinimbiolumiimage02|thumb|right|Εικόνα 2 Εργαστηριακή εκπομπή φάσματος βιοφωταυγών βακτηριδίων (μαύρο) συγκρινόμενη με συναρτήσεις φασματικής απόκρισης. Τα δεδομένα δείχνονται από το νυχτερινό ορατό κανάλι OLS του προγράμματος U.S. Defense Meteorological Satellite Program – του αισθητήρα που χρησιμοποιείται στην μελέτη – (A) και του προτεινόμενου ημερίσιου/νυχτερινού καναλιού του National Polar-orbiting Operational Environmental Satellite System VisibleInfrared ImagerRadiometer Suite (Β). Οι επικαλυπτόμενες περιοχές δείχνονται με γκρί.]]

Αυτή η μελέτη χρησιμοποίησε δεδομένα από Αμυντικό Μετεωρολογικό Δορυφορικό Πρόγραμμα της ΗΠΑ. Οι δορυφόροι του συστήματος OLS σε ύψος 833 km, πολικής περιστροφής, είναι σχεδιασμένοι να καταγράφουν την παγκόσμια νέφωση σε ηλιακό και σεληνιακό φωτισμό. Για τις νυχτερινές παρατηρήσεις, το σύστημα OLS χρησιμοποιεί έναν φωτοπολλαπλασιαστικό αγωγό για την συλλογή ακτινοβολίας στο φάσμα του ορατού και του εγγύς υπέρυθρου με ευαισθησία τεσσάρων τάξεων μεγαλύτερη από συμβατικούς ανιχνευτές, όπως αυτοί των προγραμμάτων AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) και Landsat Thematic Mapper. H γήινη εικόνα δημιουργείται μέσω ενός ταλαντευόμενου προτύπου σάρωσης, μέσο του εδαφικού ίχνους. Ένας σταθερός ρυθμός δείγματος και η μηχανική σμύκρινση του διαφράγματος ηλεκτρονίων PMT για το έξω τέταρτο κάθε γραμμής σάρωσης οδήγησε σε περίπου ίση περιοχή pixel (~2.8km) κατά μήκος του πλάτους 3,000 km της λωρίδας. Παρότι το νυχτερινό κανάλι VNIR παρέχει εξαιρετική πληροφορία αντίθεσης (contrast) σε μεγάλο δυναμικό εύρος, περιορίζεται από αδρή ραδιομετρική ανάλυση (ποσοτικοποίηση 8 – bit) και στερείται βαθμονόμησης. Επιπρόσθετα της καταγραφής της σεληνιακής αντανάκλασης, η ικανότητα δημιουργία εικόνας σε περιορισμένο φώς έχει χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό εδαφικών και ατμοσφαιρικών πηγών εκπομπών, όπως φωτιές, κεραυνούς και ανθρώπινη δραστηριότητα ανά τον κόσμο. Δεν υπάρχουν προτείτερες αναφορές της ικανότητας του OLS να εντοπίσει γαλακτερές θάλασσες ή άλλη βιοφωταυγεία.
Για να βελτιωθεί η οπτική αντίθεση μεταξύ της συνεκτικού πλέγματος εκπομπών γαλακτερής θάλασσας και του θορύβου βάθους του οργάνου, τα δεδομένα OLS – VNIR ενισχύθηκαν ψηφιακά. Πρώτον, η μέση ένταση της κάθε γραμμής σάρωσης αφαιρείται για να μειώθούν οι μεταβολές στην στάθμη του ηλεκτρικού θορύβου. Για να μειωθέι ο θόρυβος των λυχνιών φωτοπολλαπλασιασμού, ενα φίλτρο 3 – pixel εφαρμόσθηκε στην κατεύθυνση της σάρωσης. Αν τουλάχιστον 2 pixel υπέρβαίναν το κατώφλι ( που ορίζεται στο ~5% του βαθμού κορεσμού του ανιχνευτή), τότε και τα 3 pixel ορίζονταν στην τιμή κορεσμού, διαφορετικά και τα 3 pixel ορίζονταν στο 0. Αυτή η διαδικασία επαναλαμβανόταν σε μια κατα μήκος διεύθυνση. Τέλος, ενα φίλτρο 8 – pixel εφαρμόζεται,και τα δεδομένα εξισσοροπούνται βάσει του ιστογραφήματος. Η ενίσχυση οδηγεί στην συγκέντρωση των συνεκτικών στοιχείων και στην απόκρυψη του τυχαίου θορύβου.
Παράλληλα, για την καταγραφή του φάσματος εκπομπών των βακτηριδίων, αναπτύχθηκε εργαστηριακά πληθυσμός του είδους Vibrio fischeri, το οποίο θεωρείται υπέυθυνο για το φαινόμενο της γαλακτερής θάλλασας . (Τα φάσματα εκπομπών που έχουν καταγράφηκε για πολλά διαφορετικά είδη από φωταυγή βακτήρια δίνουν τιμές αιχμής στα 490 nm και ήμισυ του ζωνικού εύρους 70 nm). Σε αυτό το σημείο, επισημαίνεται ότι το φάσμα των βακτηριδίων δεν υπερκαλύπτει πλήρως αυτή την συνάρτηση απόκρισης του αισθητήρα του ανιχνευτή, μόνο ένα τμήμα του συνολικού εκπεμπόμενου φωτός θα εντοπισθεί, που σημαίνει ότι τα βακτηρίδια πρέπει να παράγουν περισσότερο φως από το ελάχιστο ονομαστικό ανισχεύσιμο σήμα του οργάνου (MSD) για να εντοπισθούν. Για αυτό τον λόγο, εκτιμάται υπολογιστικά ένα ποσοστό του κανονικοποιημένου φάσματος εκπομπής των βακτηριδίων που ανιχνεύεται από τον δορυφορικό αισθητήρα, με το οποίο διαιρείται το ονομαστικό ανιχνεύσιμο σήμα του οργάνου για να προκύψει ένα κατώφλι βακτηριδιακής ακτινοβολίας πάνω από το οποίο επιτυγχάνεται η δορυφορική ανίχνευση. Για ένα επίπεδo εκπομπών κοντά στην επιφάνεια (με την σκέδαση μέσα στο νερό και την απορρόφηση να αγνοείται) και για ένα εκτιμώμενο βαθμό παραγωγής φωτονίων ανά κύτταρο, εκτιμήθηκε ο ελάχιστος βακτηριδιακός πληθυσμός που απαιτείται για να παράξει το κατώφλι ανίχνευσης. Στην συνέχεια με δεδομένη την έκταση του φαινομένου όπως καταγράφηκε από τον δορυφόρο, υπολογίσθηκε μια συνολικός πληθυσμός βακτηριδιακών κυττάρων συντηρητικά βάσει του ελάχιστου βακτηριδιακού πληθυσμού.

== Αποτελέσματα και συζήτηση ==

Ο τηλεπισκοπικός εντοπισμός ενος σχετικά ασθενούς φωτεινού σήματος όπως το βιοφωταυγές εξαρτάται από την χωρική έκταση, την ομοιογένεια, και το αποτέλεσμα της ατμοσφαιρικής εξασθένισης και απαιτεί την απουσία φωτεινής ρύπανσης από άλλες πηγές. Εξετάσθηκε αρχείο αναφορών πλοίων στο φαινόμενο από το 1992, το οποίο αντιστοιχούσε σε διαθέσιμα δορυφορικά δεδομένα OLS, για κάποια με ευνοϊκές συνθήκες εντοπισμού Από την διαδικασία αυτή επιλέχθηκε το μελετώμενο περιστατικό.
Η ανεπεξέργαστη νυχτερινή απεικόνιση στο ορατό OLS, η οποία συμπίπτει κατά μια μιση ώρα στην επιτόπια παρατήρηση, καταδεικνύει την παρουσία ενός μεγάλου, φωτεινού στοιχείου κοντά στην τοποθεσία, που παραμένει για τις ακόλουθες δύο νύχτες. Η ψηφιακή ενίσχυση και το φιλτράρισμα της εικόνας απομονώνουν περισσότερο το συνεκτικό στοιχείο από τον θόρυβο βάθους. Οι θέσεις πορείας του πλοίου (η θέση κατά την είσοδο και κατά την έξοδο από την γαλακτερή θάλασσα) έχουν στενή αντιστοιχία με τα όρια του αντικειμένου της δορυφορικής παρατήρησης.
Η δορυφορική οπτική αποκαλύπτει ότι το φαινόμενο καταλαμβάνει έκταση τουλάχιστον 15,400km2 στις 25 Ιανουαρίου 1995 και επεκτείνεται σε έκταση > 17,700 km2 την επόμενη μέρα. Η παραμονή του φαινομένου για πολλές μέρες είναι συνεπής με προηγούμενα ευρήματα και επιτρέπει την εξέταση της χωρικής εξέλιξης σε σύνδεση με την τοπικά θαλλάσια ρεύματα. Η παρατηρούμενη μεταφορά και περιστροφή της φωτεινής δομής για τρεις νύχτες ήταν συνεπής με μια δίνη ψυχρού πυρήνα από την μοντελοποίηση των ωκεάνιων ρευμάτων. Οι συνθήκες που διαπιστώθηκαν (παρουσία ψυχρών δινών και υποθαλλάσια δάση kelp) προτιμώνται από αποικίες φωτοπλαγκτόν, οι οποίες όντας σε ανάπτυξη μπορούν να προσφέρουν ένα υπόστρωμα για τον εποικισμό απο φωταυγή βακτήρια.
Για να αξιολογήσουμε τις απαιτήσεις εκπομπών βάση της υπόθεσης βακτηριακής πηγής, συγκρίναμε την φασματική ευαισθησία του δορυφορικού αισθητήρα με το φάσμα εκπομπών των βακτηριδίων. H απόδοση της ανίχνευσης, όπως εκτιμήθηκε στο 22%, δίνει κατώφλι ακτινοβολίας των εκπομπών των βακτηριδίων 1.8 Χ 10-4 W/m2/sr. Ο δορυφορικά ανιχνεύσιμος ελάχιστος πληθυσμός βακτηριδίων στην υδάτινη στήλη εκτιμάται σε 2,8 X108 κύτταρα/cm2. Βάσει της κάλυψης που εκτιμάται από την δορυφορική εικόνα, ο συνολικός πληθυσμός στην παρατηρημένη γαλακτερή θάλασσα εκτιμάται προσεγγιστικά σε 4x1022 βακτηριδιακά κύτταρα.
Η επόμενη γενία αισθητήρων χαμηλής φωτεινότητας, όπως εκπροσωπείται από το ημερίσιο/νυχτερινό κανάλι του συστήματος NPOESS (βλέπε Εικόνα 2 Β), προσφέρει την δυνατότητα βελτιωμένης ικανότητας παρατήρησης σε χαμηλό φωτισμό μέσω βελτιωμένου δυναμικού εύρους, υψηλότερο ποσοστό σήματος - θορύβου, βαθμονομημένα δεδομένα, υψηλότερη ραδιομετρική ανάλυση, καλύτερη χρονική ευκρίνεια και συμπληρωματική φασματική πληροφορία από άλλα κανάλια ραδιομετρικά και του ορατού/υπέρυθρου. Ο περιορισμός όμως της ευαισθησίας του σύμφωνα με τον παρόν σχεδιασμό στα μικρά μήκη κύματος το καθιστά λιγότερο κατάλληλο για την καταγραφή των μπλέ – πράσινων βιοφωταυγών εκπομπών. Κατά την προτεινόμενη φασματική συνάρτηση απόκρισης, το κατώφλι ακτινοβολίας εντοπισμού αυξάνεται στα 3.5 Χ 10-4 W/m2/sr (περίπου το ήμισυ της ευαισθησίας του παρόντος συστήματος OLS – VNIR). Δεδομένης της επιδεδειγμένης ικανότητας του να εντοπίζει ένα σπάνιο βιολογικό φαινόμενο και λαμβάνοντας υπόψιν την εμφανή εγγύτητα αυτών των σημάτων στο ελάχιστο ανιχνεύσιμο σήμα του αισθητήρα, ίσως αξίζει να διατηρηθεί η φασματική απόκριση στα μικρά μήκη κύματος του συστήματος.
Μια σπάνια ευκαιρία να αντιστοιχηθούν δορυφορικές παρατηρήσεις αισθητήρα χαμηλού φωτισμού με επιφανειακές αναφορές απέδωσε τις πρώτες δορυφορικές μετρήσεις βιοφωταύγειας από μια γαλακτερή θάλασσα. H τηλεπισκόπηση μπορεί να αποτελέσει το μόνο εφικτό μέσο εντοπισμού αυτής της υπεκφεύγουσας μορφής θαλάσσιας φωταύγειας. Για παράδειγμα, η αναπτυσσόμενες ημερίσιες τεχνικές τηλεπισκόπησης στην αποτίμηση της φυσιολογίας του φυτοπλαγκτού μπορεί να βοηθήσει στον προσδιορισμό περιοχών προτεραιότητας. Στην συνέχεια, η επιβεβαίωση παρουσίας του φαινομένου τηλεπισκοπικά θα επιτρέψει την προσέγγιση από εξειδικευμένη αποστολή παρατήρησης. Η συνδυασμένη παρατήρηση θα μας επιτρέψει να κατανοήσουμε καλύτερα τον ρόλο, την συμπεριφορά και της περιβαλλοντικές επιδράσεις των γαλακτερών θαλασσών, ενός μακροχρόνιου μυστηρίου της θαλασσινής παράδοσης.

[[category:Οικολογία]]