SeaWiFS - SeaWiFS
SeaWIFS (Sea-Viewing Wide Field-of-View Sensor) war ein satellitengestützter Sensor zur Erfassung globaler biologischer Meeresdaten. Von September 1997 bis Dezember 2010 aktiv, bestand seine Hauptaufgabe darin, Chlorophyll zu quantifizieren, das von marinem Phytoplankton (mikroskopische Pflanzen) produziert wird.
Instrument
SeaWiFS war das einzige wissenschaftliche Instrument auf GeoEye ‚s OrbView-2 (AKA SeaStar) Satelliten und war ein Follow-on - Experiment zum Coastal Zone Color Scanner auf Nimbus 7 . SeaWiFS wurde am 1. August 1997 mit einer kleinen Orbital Sciences Pegasus- Rakete gestartet und begann am 18. September 1997 mit dem wissenschaftlichen Betrieb. Die Sensorauflösung beträgt 1,1 km (LAC), 4,5 km (GAC). Der Sensor hat Informationen in den folgenden optischen Bändern aufgezeichnet :
| Band | Wellenlänge |
|---|---|
| 1 | 402–422 nm |
| 2 | 433–453 nm |
| 3 | 480–500 nm |
| 4 | 500–520 nm |
| 5 | 545–565 nm |
| 6 | 660–680 nm |
| 7 | 745–785 nm |
| 8 | 845–885 nm |
Das Instrument wurde speziell entwickelt, um Meeresmerkmale wie Chlorophyll- Konzentration und Wasserklarheit zu überwachen . Es konnte um bis zu 20 Grad geneigt werden, um Sonnenlicht von der Meeresoberfläche zu vermeiden. Dieses Merkmal ist in äquatorialen Breiten wichtig, wo das Glitzern des Sonnenlichts oft die Wasserfarbe verdeckt. SeaWiFS hatte die optische Marineboje für die stellvertretende Kalibrierung verwendet.
Die SeaWiFS-Mission ist eine Partnerschaft zwischen Industrie und Regierung, wobei die Ocean Biology Processing Group der NASA im Goddard Space Flight Center für die Datensammlung, -verarbeitung, -kalibrierung, -validierung, -archivierung und -verteilung verantwortlich ist. Der derzeitige SeaWiFS-Projektmanager ist Gene Carl Feldman .
Chlorophyll-Abschätzung
Chlorophyllkonzentrationen werden aus Bildern der Farbe des Ozeans abgeleitet. Generell gilt: Je grüner das Wasser, desto mehr Phytoplankton ist im Wasser vorhanden und desto höher ist die Chlorophyllkonzentration. Chlorophyll a absorbiert mehr blaues und rotes Licht als grünes, wobei das resultierende reflektierte Licht von Blau zu Grün wechselt, wenn die Chlorophyllmenge im Wasser zunimmt. Mit diesem Wissen konnten die Wissenschaftler die Verhältnisse verschiedener reflektierter Farben verwenden, um die Chlorophyllkonzentrationen abzuschätzen.
Viele Formeln schätzen Chlorophyll, indem sie das Verhältnis von blauem zu grünem Licht vergleichen und diese Verhältnisse mit bekannten Chlorophyllkonzentrationen aus denselben Zeiten und Orten wie die Satellitenbeobachtungen in Beziehung setzen. Die Farbe des Lichts wird durch seine Wellenlänge definiert, und sichtbares Licht hat Wellenlängen von 400 bis 700 Nanometer, von Violett (400 nm) bis Rot (700 nm). Eine typische Formel für SeaWiFS-Daten (bezeichnet als OC4v4) teilt das Reflexionsvermögen des Maximums mehrerer Wellenlängen (443, 490 oder 510 nm) durch das Reflexionsvermögen bei 550 nm. Dies entspricht ungefähr einem Verhältnis von blauem Licht zu grünem Licht für zwei der Zählerwellenlängen und einem Verhältnis von zwei verschiedenen grünen Wellenlängen für die andere mögliche Kombination.
Das von dieser Formel zurückgegebene Reflexionsvermögen (R) wird dann in ein kubisches Polynom eingefügt, das das Bandenverhältnis zu Chlorophyll in Beziehung setzt.
Diese Formel wurde zusammen mit anderen empirisch unter Verwendung beobachteter Chlorophyllkonzentrationen abgeleitet. Um diese Vergleiche zu erleichtern, unterhält die NASA ein System ozeanographischer und atmosphärischer Daten namens SeaBASS (SeaWiFS Bio-optical Archive and Storage System). Dieses Datenarchiv wird verwendet, um neue Algorithmen zu entwickeln und Satellitendatenprodukte zu validieren, indem die Chlorophyllkonzentrationen direkt mit denen abgeglichen werden, die aus der Ferne von einem Satelliten geschätzt werden. Diese Daten können auch verwendet werden, um die atmosphärische Korrektur (siehe unten) zu bewerten, die auch die Berechnungen der Chlorophyllkonzentration stark beeinflussen kann.
Zahlreiche Chlorophyll-Algorithmen wurden getestet, um zu sehen, welche weltweit am besten zu Chlorophyll passen. Verschiedene Algorithmen verhalten sich in verschiedenen Umgebungen unterschiedlich. Viele Algorithmen schätzen die Chlorophyllkonzentration in tiefem, klarem Wasser genauer als in flachem Wasser. In flachen Gewässern kann die Reflexion von anderen Pigmenten, Detritus und dem Meeresboden zu Ungenauigkeiten führen. Die erklärten Ziele der SeaWiFS-Chlorophyll-Schätzungen sind „… in Klarwasserregionen Wasserstrahlen mit einer Unsicherheit von 5 % und Chlorophyll-a-Konzentrationen innerhalb von ±35 % im Bereich von 0,05–50 mg m-3 zu erzeugen“. Wenn die Genauigkeit auf globaler Ebene bewertet und alle Beobachtungen zusammengefasst werden, ist dieses Ziel eindeutig erreicht. Viele Satellitenschätzungen reichen von einem Drittel bis zum Dreifachen der direkt auf See aufgezeichneten Schätzungen, obwohl die Gesamtbeziehung immer noch recht gut ist. Bei der Betrachtung nach Regionen ergeben sich Unterschiede, insgesamt sind die Werte aber noch sehr brauchbar. Ein Pixel ist möglicherweise nicht besonders genau, aber wenn Mittelwerte über größere Bereiche genommen werden, mitteln sich die Werte und bieten eine nützliche und genaue Ansicht der größeren Muster. Die Vorteile von Chlorophyll-Daten von Satelliten überwiegen bei weitem alle Fehler in ihrer Genauigkeit allein durch die mögliche räumliche und zeitliche Abdeckung. Schiffsbasierte Chlorophyllmessungen können nicht an die Häufigkeit und räumliche Abdeckung von Satellitendaten heranreichen.
Atmosphärenkorrektur
Das vom unterirdischen Ozean reflektierte Licht wird als Wasseraustrittsstrahlung bezeichnet und wird verwendet, um die Chlorophyllkonzentrationen abzuschätzen. Allerdings stammen nur etwa 5–10% des Lichts an der Spitze der Atmosphäre von der Strahlung, die Wasser austritt. Der Rest des Lichts wird von der Atmosphäre und von Aerosolen in der Atmosphäre reflektiert. Um Chlorophyllkonzentrationen abzuschätzen, muss diese nicht austretende Strahlung berücksichtigt werden. Ein Teil des vom Ozean reflektierten Lichts, z. B. von Schaumkronen und Sonnenglitzer, muss auch aus Chlorophyll-Berechnungen entfernt werden, da es sich um repräsentative Meereswellen oder den Winkel der Sonne anstelle des unterirdischen Ozeans handelt. Das Entfernen dieser Komponenten wird als atmosphärische Korrektur bezeichnet.
Eine Beschreibung des vom Sensor des Satelliten beobachteten Lichts oder der Strahlung kann formaler durch die folgende Strahlungsübertragungsgleichung ausgedrückt werden:
Wobei L T (λ) die Gesamtstrahlung am oberen Rand der Atmosphäre ist, L r (λ) die Rayleigh-Streuung durch Luftmoleküle ist, L a (λ) die Streuung durch Aerosole in Abwesenheit von Luft ist, L ra (λ) sind Wechselwirkungen zwischen Luftmolekülen und Aerosolen, TL g (λ) sind Reflexionen von Glitzern, t(L f (λ) sind Reflexionen von Schaum und L W (λ)) sind Reflexionen von der Wasseroberfläche oder die Wasseraustrittsstrahlung . Andere können die Strahldichte in einige leicht unterschiedliche Komponenten unterteilen, obwohl in jedem Fall die Reflexionsparameter aufgelöst werden müssen, um die Wasseraustrittsstrahlung und damit die Chlorophyllkonzentration abzuschätzen.
Datenprodukte
Obwohl SeaWiFS in erster Linie entwickelt wurde, um die Chlorophyllkonzentrationen in den Ozeanen aus dem Weltraum zu überwachen, sammelte es auch viele andere Parameter, die der Öffentlichkeit für Forschungs- und Bildungszwecke frei zugänglich sind. Zu diesen Parametern neben Chlorophyll a gehören die Reflexion, der diffuse Dämpfungskoeffizient, die Konzentration des partikulären organischen Kohlenstoffs (POC), die Konzentration des partikulären anorganischen Kohlenstoffs (PIC), der Index der farbigen gelösten organischen Stoffe (CDOM), die photosynthetische aktive Strahlung (PAR) und die normalisierte Fluoreszenzlinie Höhe (NFLH). Obwohl SeaWiFS entwickelt wurde, um das Chlorophyll der Ozeane zu messen, schätzt es auch den Normalized Difference Vegetation Index (NDVI), der ein Maß für die Photosynthese an Land ist.
Datenzugriff
SeaWiFS-Daten sind von einer Vielzahl von Websites frei zugänglich, von denen die meisten von der Regierung betrieben werden. Der primäre Speicherort für SeaWiFS-Daten ist die OceanColor-Website der NASA [1] , die die Zeitreihen der gesamten SeaWiFS-Mission verwaltet. Die Website ermöglicht es Benutzern, einzelne SeaWiFS-Bilder basierend auf der Zeit- und Gebietsauswahl zu durchsuchen. Die Website ermöglicht auch das Durchsuchen verschiedener zeitlicher und räumlicher Skalen mit räumlichen Skalen von 4 km bis 9 km für kartierte Daten. Die Daten werden auf zahlreichen Zeitskalen bereitgestellt, einschließlich täglicher, mehrtägiger (zB 3, 8), monatlicher und saisonaler Bilder bis hin zu Zusammensetzungen der gesamten Mission. Daten sind auch über FTP und Massendownload verfügbar.
Daten können in einer Vielzahl von Formaten und Verarbeitungsebenen durchsucht und abgerufen werden, mit vier allgemeinen Ebenen von der unverarbeiteten bis zur modellierten Ausgabe. Level 0 sind unverarbeitete Daten, die Benutzern normalerweise nicht zur Verfügung gestellt werden. Daten der Ebene 1 werden rekonstruiert, aber entweder unverarbeitet oder minimal verarbeitet. Daten der Ebene 2 enthalten abgeleitete geophysikalische Variablen, befinden sich jedoch nicht in einem einheitlichen Raum-Zeit-Gitter. Daten der Ebene 3 enthalten abgeleitete geophysikalische Variablen, die in ein einheitliches Raster eingeteilt oder abgebildet sind. Schließlich enthalten Level-4-Daten modellierte oder abgeleitete Variablen wie die Primärproduktivität der Ozeane .
Wissenschaftler, die Berechnungen von Chlorophyll oder anderen Parametern erstellen möchten, die sich von den auf der OceanColor-Website bereitgestellten unterscheiden, würden wahrscheinlich Daten der Stufe 1 oder 2 verwenden. Dies kann beispielsweise geschehen, um Parameter für eine bestimmte Region der Erde zu berechnen, während die Standard-Datenprodukte von SeaWiFS auf globale Genauigkeit mit den notwendigen Kompromissen für bestimmte Regionen ausgelegt sind. Wissenschaftler, die mehr daran interessiert sind, die standardmäßigen SeaWiFS-Ausgaben mit anderen Prozessen in Verbindung zu bringen, verwenden normalerweise Level-3-Daten, insbesondere wenn sie nicht die Kapazität, Ausbildung oder das Interesse haben, mit Level-1- oder 2-Daten zu arbeiten. Daten der Stufe 4 können für ähnliche Untersuchungen verwendet werden, wenn Sie an einem modellierten Produkt interessiert sind.
Software
Die NASA bietet über die Ocean Color-Website kostenlose Software an, die speziell für die Arbeit mit SeaWiFS-Daten entwickelt wurde. Diese Software mit dem Namen SeaDAS (SeaWiFS Data Analysis System) wurde für die Visualisierung und Verarbeitung von Satellitendaten entwickelt und kann mit Daten der Ebenen 1, 2 und 3 arbeiten. Obwohl es ursprünglich für SeaWiFS-Daten entwickelt wurde, wurden seine Fähigkeiten seitdem erweitert, um mit vielen anderen Satellitendatenquellen zu arbeiten. Auch andere Software oder Programmiersprachen können verwendet werden, um SeaWiFS-Daten einzulesen und mit ihnen zu arbeiten, wie Matlab , IDL oder Python .
Anwendungen
Die Schätzung der Menge des globalen oder regionalen Chlorophylls und damit des Phytoplanktons hat große Auswirkungen auf den Klimawandel und die Fischereiproduktion. Phytoplankton spielt eine große Rolle bei der Aufnahme des weltweiten Kohlendioxids, einem Hauptverursacher des Klimawandels . Ein Prozentsatz dieses Phytoplanktons sinkt auf den Meeresboden, entzieht der Atmosphäre effektiv Kohlendioxid und bindet es für mindestens tausend Jahre in der Tiefsee. Daher könnte der Grad der Primärproduktion aus dem Meer eine große Rolle bei der Verlangsamung des Klimawandels spielen. Oder wenn sich die Primärproduktion verlangsamt, könnte der Klimawandel beschleunigt werden. Einige haben vorgeschlagen, den Ozean mit Eisen zu düngen , um Phytoplanktonblüten zu fördern und Kohlendioxid aus der Atmosphäre zu entfernen. Unabhängig davon, ob diese Experimente durchgeführt werden oder nicht, könnte die Schätzung der Chlorophyllkonzentrationen in den Weltmeeren und ihrer Rolle in der biologischen Pumpe des Ozeans eine Schlüsselrolle für unsere Fähigkeit zur Vorhersage und Anpassung an den Klimawandel spielen.
Phytoplankton ist eine Schlüsselkomponente in der Basis der ozeanischen Nahrungskette und Ozeanographen haben seit einiger Zeit einen Zusammenhang zwischen ozeanischem Chlorophyll und der Fischereiproduktion vermutet. Das Ausmaß, in dem Phytoplankton mit der Meeresfischproduktion zusammenhängt, hängt von der Anzahl der trophischen Glieder in der Nahrungskette und der Effizienz jedes Glieds ab. Schätzungen der Zahl der trophischen Verbindungen und der trophischen Effizienz von Phytoplankton bis hin zu kommerzieller Fischerei wurden weithin diskutiert, obwohl sie wenig begründet wurden. Neuere Forschungen legen nahe, dass positive Beziehungen zwischen Chlorophyll a und der Fischereiproduktion modelliert werden können und im richtigen Maßstab sehr stark korreliert werden können. Ware und Thomson (2005) fanden beispielsweise einen r 2 von 0,87 zwischen dem Ertrag der ansässigen Fische (metrische Tonnen km-2) und der mittleren jährlichen Chlorophyll-a-Konzentration (mg m-3). Andere haben festgestellt, dass die Chlorophyllfront der Übergangszone des Pazifiks (Chlorophylldichte von 0,2 mg m-3) ein bestimmendes Merkmal in der Verbreitung der Unechten Karettschildkröte ist.
Verweise
- Cracknell, AP; Newcombe, SK; Schwarz, AF; Kirby, NE (2001). „Die ABDMAP (Algal Bloom Detection, Monitoring and Prediction) Konzertierte Aktion“. Internationale Zeitschrift für Fernerkundung . 22 (2–3): 205–247. Bibcode : 2001IJRS...22..205C . doi : 10.1080/014311601449916 . S2CID 140603142 .