Kolor oceanu

Szersze omówienie tego tematu można znaleźć w artykułach Optyka oceanu i Kolor wody .
W przypadku zespołu muzycznego zobacz Ocean Color Scene .
Zgodnie z ruchem wskazówek zegara, od góry po lewej: ciemnoniebieska woda, niebiesko-zielona woda, zdjęcie satelitarne Bahamów, gdzie światło słoneczne odbija się od piasku i raf na płyciznach, zdjęcie satelitarne rozkwitu fitoplanktonu na Oceanie Południowym , zdjęcie satelitarne Wysp Pribilof pokazujące odcienie kolorów z innego fitoplanktonu oraz zdjęcie satelitarne Morza Bałtyckiego z zakwitami fitoplanktonu .

Kolor oceanu to gałąź optyki oceanicznej , która w szczególności bada kolor wody i informacje, które można uzyskać, obserwując różnice w kolorze. Kolor oceanu , choć głównie niebieski, w rzeczywistości waha się od niebieskiego do zielonego, a nawet żółtego, brązowego lub czerwonego w niektórych przypadkach. Ta dziedzina nauki rozwinęła się równolegle z teledetekcją wody , dlatego koncentruje się głównie na tym, jak kolor jest mierzony za pomocą instrumentów (takich jak czujniki na satelitach i samolotach).

Większość oceanu ma kolor niebieski, ale w niektórych miejscach ocean jest niebiesko-zielony, zielony, a nawet żółty do brązowego. Kolor błękitnego oceanu jest wypadkową kilku czynników. Po pierwsze, woda preferencyjnie pochłania światło czerwone, co oznacza, że ​​światło niebieskie pozostaje i odbija się od wody. Światło czerwone jest najłatwiej absorbowane i dlatego nie dociera na duże głębokości, zwykle poniżej 50 metrów (164 stóp). Dla porównania światło niebieskie może przenikać do 200 metrów (656 stóp). Po drugie, cząsteczki wody i bardzo małe cząsteczki w wodzie oceanicznej preferencyjnie rozpraszają światło niebieskie bardziej niż światło o innych kolorach. Niebieskie światło rozpraszane przez wodę i drobne cząsteczki zdarza się nawet w najczystszej wodzie oceanu i jest podobne do tego niebieskie światło rozpraszające się na niebie .

Główne substancje wpływające na kolor oceanu to rozpuszczona materia organiczna , żywy fitoplankton z pigmentami chlorofilowymi oraz nieożywione cząsteczki, takie jak śnieg morski i osady mineralne . Chlorofil można zmierzyć za pomocą satelitarnych i służy jako wskaźnik produktywności oceanów ( pierwotna produktywność morska ) w wodach powierzchniowych. Na długoterminowych złożonych obrazach satelitarnych regiony o wysokiej produktywności oceanów są zaznaczone na żółto i zielono, ponieważ zawierają więcej (zielonego) fitoplanktonu , podczas gdy obszary o niskiej produktywności zaznaczono na niebiesko.

Przegląd

Kolor oceanu zależy od tego, jak światło oddziałuje z materiałami w wodzie. Kiedy światło dostaje się do wody, może zostać pochłonięte (światło zużywa się, woda staje się „ciemniejsza”), rozproszone (światło odbija się w różnych kierunkach, woda pozostaje „jasna”) lub kombinacja obu. To, jak absorpcja i rozpraszanie pod wodą zmienia się w widmie lub w całym spektrum widzialnego i podczerwonego (długości fali od około 400 nm do 2000 nm), określa, jaki „kolor” woda będzie postrzegana przez czujnik.

Rodzaje wody według koloru

Większość oceanów na świecie ma kolor niebieski, ponieważ światło wychodzące z wody jest najjaśniejsze (ma najwyższą wartość współczynnika odbicia) w niebieskiej części widma światła widzialnego. Bliżej lądu wody przybrzeżne często wydają się zielone. Zielone wody pojawiają się w ten sposób, ponieważ glony i rozpuszczone substancje pochłaniają światło w niebieskiej i czerwonej części widma.

Niebieskie oceany

Ciemnoniebieska fala widziana z powierzchni wody w pobliżu Encinitas, Kalifornia, Stany Zjednoczone. Ocean Spokojny zawiera jedne z najbardziej ciemnoniebieskich wód na świecie.

Powodem, dla którego wody otwartego oceanu wydają się niebieskie, jest to, że są bardzo przejrzyste, nieco podobne do czystej wody i zawierają niewiele materiałów lub tylko bardzo małe cząsteczki. Czysta woda pochłania światło czerwone z głębią. Gdy światło czerwone jest pochłaniane, światło niebieskie pozostaje. Duże ilości czystej wody wydają się niebieskie (nawet w basenie z białym dnem lub pomalowanym na biało wiadrze). Substancje obecne w niebieskich wodach otwartych oceanów to często bardzo małe cząsteczki, które rozpraszają światło, szczególnie silnie rozpraszając światło w zakresie fal niebieskich. Rozpraszanie światła w niebieskiej wodzie jest podobne do rozpraszania w atmosferze, które sprawia, że ​​niebo wydaje się niebieskie (tzw rozpraszanie Rayleigha ). Niektóre niebieskie jeziora z czystą wodą wydają się niebieskie z tych samych powodów, jak jezioro Tahoe w Stanach Zjednoczonych.

Zielone oceany

Mikroskopijne algi morskie, zwane fitoplanktonem , pochłaniają światło o długości fali niebieskiej i czerwonej dzięki swoim specyficznym pigmentom, takim jak chlorofil-a . W związku z tym, wraz z coraz większą ilością fitoplanktonu w wodzie, kolor wody przesuwa się w kierunku zielonej części widma.

Najbardziej rozpowszechnioną substancją pochłaniającą światło w oceanach jest barwnik chlorofilowy, który fitoplankton wykorzystuje do produkcji węgla w procesie fotosyntezy . Chlorofil, zielony pigment, sprawia, że ​​fitoplankton preferencyjnie absorbuje czerwone i niebieskie części widma światła. Gdy światło niebieskie i czerwone jest pochłaniane, światło zielone pozostaje. Regiony oceaniczne o wysokim stężeniu fitoplanktonu mają odcienie wody od niebieskozielonej do zielonej w zależności od ilości i rodzaju fitoplanktonu.

Zielone wody mogą również zawierać kombinację fitoplanktonu, rozpuszczonych substancji i osadów, a jednocześnie nadal wyglądają na zielone. Dzieje się tak często w ujściach rzek, wodach przybrzeżnych i wodach śródlądowych, które nazywane są wodami „optycznie złożonymi”, ponieważ wiele różnych substancji tworzy zielony kolor widziany przez czujnik.

Surfer przecina zieloną falę wody oceanicznej w Strandhill w Irlandii .

Oceany od żółtego do brązowego

Zdjęcie satelitarne Sentinel-2 przedstawiające ujście rzeki Rio Negro do rzeki Solimões w Brazylii. Rzeka Rio Negro w lewej górnej części zdjęcia jest ciemna z powodu wysokiego stężenia kolorowej rozpuszczonej materii organicznej (CDOM) . Rzeka Solimões w dolnej i prawej części zdjęcia jest jaśniejsza z powodu dużej ilości osadów .

Woda oceaniczna wydaje się żółta lub brązowa, gdy obecne są duże ilości rozpuszczonych substancji , osadów lub obu rodzajów materiałów.

Woda może wydawać się żółta lub brązowa z powodu dużej ilości rozpuszczonych substancji. Rozpuszczona materia lub gelbstoff (co oznacza żółtą substancję) wydaje się ciemna, ale stosunkowo przezroczysta, podobnie jak herbata. Rozpuszczone substancje pochłaniają światło niebieskie silniej niż światło o innych kolorach. Barwna rozpuszczona materia organiczna (CDOM) często pochodzi z rozkładającej się materii roślinnej na lądzie lub na bagnach lub na otwartym oceanie z morskiego fitoplanktonu wydzielającego rozpuszczone substancje z ich komórek.

Na obszarach przybrzeżnych odpływy z rzek oraz ponowne zawieszanie piasku i mułu z dna dodają osady do wód powierzchniowych. Więcej osadów może sprawić, że woda będzie wyglądać na bardziej zieloną, żółtą lub brązową, ponieważ cząsteczki osadu rozpraszają energię świetlną we wszystkich kolorach. W dużych ilościach cząstki mineralne, takie jak osad, powodują, że woda staje się brązowawa, jeśli nastąpi masowe ładowanie osadu, wyglądając na jasną i nieprzezroczystą (nie przezroczystą), podobnie jak mleko czekoladowe.

W jeziorze Boomanjin w Australii wody są silnie zabarwione z powodu garbników z pobliskich drzew.
Obraz satelitarny MODIS pióropusza osadu rzeki Mississippi w Zatoce Meksykańskiej po serii burz w lutym 2018 r. (zdjęcie z 4 marca 2018 r.).

Czerwone oceany

Zobacz też: Czerwona fala
Czerwona fala u wybrzeży Scripps Institution of Oceanography Pier, La Jolla, Kalifornia, Stany Zjednoczone.

Woda oceaniczna może wydawać się czerwona, jeśli występuje zakwit określonego rodzaju fitoplanktonu, powodujący odbarwienie powierzchni morza. Wydarzenia te nazywane są „ czerwonymi przypływami ”. Jednak nie wszystkie czerwone przypływy są szkodliwe i są uważane za szkodliwe zakwity glonów tylko wtedy, gdy rodzaj planktonu zawiera niebezpieczne toksyny. Czerwony kolor pochodzi od pigmentów w określonych rodzajach fitoplanktonu powodujących zakwit. Niektóre przykłady to Karenia brevis w Zatoce Meksykańskiej, Alexandrium fundyense w Zatoce Maine, Margalefadinium polykroides i Alexandrium monilatum w zatoce Chesapeake i Mesodinium rubrum w cieśninie Long Island.

Teledetekcja koloru oceanu

Zobacz też: Teledetekcja wody

Zdalne wykrywanie kolorów oceanów jest również określane jako radiometria kolorów oceanów . Zdalne czujniki na satelitach, samolotach i dronach mierzą widmo energii świetlnej pochodzącej z powierzchni wody. Czujniki używane do pomiaru energii świetlnej pochodzącej z wody nazywane są radiometrami (lub spektrometrami lub spektroradiometrami ). Niektóre radiometry są używane w terenie na powierzchni ziemi na statkach lub bezpośrednio w wodzie. Inne radiometry są zaprojektowane specjalnie do samolotów lub misji satelitarnych na orbicie okołoziemskiej. Za pomocą radiometrów naukowcy mierzą ilość energii świetlnej pochodzącej z wody we wszystkich kolorach widmo elektromagnetyczne od ultrafioletu do bliskiej podczerwieni. Z tego odbitego widma energii świetlnej lub pozornego „koloru” badacze wyprowadzają inne zmienne, aby zrozumieć fizykę i biologię oceanów.

Pomiary koloru oceanu można wykorzystać do uzyskania ważnych informacji, takich jak biomasa fitoplanktonu lub stężenie innych żywych i nieożywionych materiałów. Wzorce zakwitów glonów z satelity w czasie, w dużych regionach aż do skali globalnego oceanu, odegrały kluczową rolę w scharakteryzowaniu zmienności ekosystemów morskich . Dane dotyczące koloru oceanu to kluczowe narzędzie do badania reakcji ekosystemów morskich na zmianę klimatu i perturbacje antropogeniczne.

Jednym z największych wyzwań dla teledetekcji kolorów oceanów jest korekcja atmosferyczna lub usuwanie sygnału koloru z atmosferycznego zamglenia i chmur, aby skupić się na sygnale koloru wody oceanu. Sygnał z samej wody stanowi mniej niż 10% całkowitego sygnału światła opuszczającego powierzchnię ziemi.

Historia

Naukowcy, w tym biolog Ellen Weaver, pomogli opracować pierwsze czujniki do pomiaru produktywności oceanów z góry, zaczynając od czujników montowanych na samolotach.

Ludzie pisali o kolorze oceanu przez wiele stuleci, w tym o słynnym „morzu ciemnym jak wino” starożytnego greckiego poety Homera. Naukowe pomiary koloru oceanu sięgają wynalezienia dysku Secchiego we Włoszech w połowie XIX wieku w celu zbadania przezroczystości i przejrzystości morza.

Główne osiągnięcia zostały dokonane w latach 60. i 70. XX wieku, prowadząc do nowoczesnych kampanii teledetekcji kolorów oceanów. Książka Nilsa Gunnara Jerlova Oceanografia optyczna , opublikowana w 1968 roku, była punktem wyjścia dla wielu badaczy w następnych dziesięcioleciach. W 1970 roku George Clarke opublikował pierwszy dowód na to, że stężenie chlorofilu można oszacować na podstawie światła zielonego i niebieskiego pochodzącego z wody, mierzonego z samolotu nad George's Bank . W latach 70. naukowiec Howard Gordon i jego doktorant George Maul powiązali zdjęcia z pierwszej misji Landsata z kolorem oceanu. Mniej więcej w tym samym czasie grupa naukowców, w tym John Arvesen, dr Ellen Weaver i odkrywca Jacques Cousteau , zaczęła opracowywać czujniki do pomiaru produktywności oceanów, zaczynając od czujnika powietrznego.

na satelicie Nimbus-7 należącego do NASA skanera kolorów strefy przybrzeżnej (CZCS). Pomimo faktu, że CZCS była misją eksperymentalną, która miała trwać tylko rok jako dowód słuszności koncepcji, czujnik nadal generował wartościowe serie danych z wybranych miejsc testowych aż do początku 1986 roku. Minęło dziesięć lat, zanim inne źródła koloru oceanu dane stały się dostępne wraz z wystrzeleniem innych czujników, a w szczególności czujnika szerokiego pola widzenia Sea-viewing Wide Field-of-view ( SeWiFS ) w 1997 r. na pokładzie NASA satelita Sea Star. Kolejne czujniki obejmowały spektroradiometr obrazujący średniej rozdzielczości (MODIS) NASA na pokładzie satelitów Aqua i Terra oraz spektrometr obrazujący MEdium Resolution Imaging Spectrometer ( MERIS ) ESA na pokładzie satelity środowiskowego Envisat . Niedawno wystrzelono kilka nowych czujników koloru oceanu, w tym monitor koloru oceanu indyjskiego (OCM-2) na pokładzie Oceansat-2 firmy ISRO oraz koreański Geostationary Ocean Color Imager (GOCI), który jest pierwszym czujnikiem koloru oceanu zostać uruchomiony na a geostacjonarny satelita i Visible Infrared Imager Radiometer Suite ( VIIRS ) na pokładzie Suomi NPP NASA. Różne agencje kosmiczne planują więcej czujników koloru oceanu w ciągu następnej dekady, w tym obrazowanie hiperspektralne .

Aplikacje

Radiometria kolorów oceanów i jej produkty pochodne są również postrzegane jako podstawowe podstawowe zmienne klimatyczne , zgodnie z definicją Globalnego Systemu Obserwacji Klimatu . Zestawy danych o kolorach oceanów zapewniają jedyną globalną synoptyczną perspektywę produkcji pierwotnej w oceanach, dając wgląd w rolę światowych oceanów w globalnym obiegu węgla . Dane dotyczące kolorów oceanów pomagają naukowcom mapować informacje istotne dla społeczeństwa, takie jak jakość wody , zagrożenia dla zdrowia ludzkiego, takie jak szkodliwe zakwity glonów , batymetria oraz produkcja podstawowa i typy siedlisk mające wpływ na rybołówstwo o znaczeniu handlowym .

Chlorofil jako zastępca fitoplanktonu

Sezonowe kompozyty oceanicznych stężeń chlorofilu . Kolory fioletowy i niebieski reprezentują niższe stężenia chlorofilu. Pomarańcze i czerwienie reprezentują wyższe stężenia chlorofilu. Różnice te wskazują obszary o mniejszej lub większej fitoplanktonu .
Stężenie chlorofilu-a pochodzące z satelity (mg m -3 ) od lipca 2002 do marca 2017. Ta wizualizacja została uzyskana na podstawie danych ze spektroradiometru obrazującego o średniej rozdzielczości (MODIS) na pokładzie satelity Aqua należącego do NASA . Stężenie chlorofilu-a jest wskaźnikiem obfitości fitoplanktonu . Ciemniejsze odcienie zieleni wskazują na więcej chlorofilu i więcej fitoplanktonu, podczas gdy odcienie niebieskiego wskazują na mniej chlorofilu i mniej fitoplanktonu.

Najczęściej wykorzystywaną informacją pochodzącą z teledetekcji koloru oceanu jest stężenie chlorofilu-a pochodzące z satelitów. Naukowcy obliczają stężenie chlorofilu pochodzące z satelitów z kosmosu, opierając się na głównym założeniu, że im więcej fitoplanktonu znajduje się w wodzie, tym jest ona bardziej zielona.

Fitoplankton to mikroskopijne algi, główni producenci morscy, którzy zamieniają światło słoneczne w energię chemiczną, która wspiera oceaniczną sieć pokarmową. Podobnie jak rośliny na lądzie, fitoplankton wytwarza tlen dla innych form życia na ziemi. Teledetekcja kolorów oceanów od czasu uruchomienia SeaWiFS w 1997 roku umożliwiła naukowcom mapowanie fitoplanktonu – a tym samym modelowanie produkcji pierwotnej – w oceanach na całym świecie przez wiele dziesięcioleci, co oznacza duży postęp w naszej wiedzy o systemie ziemskim.

Inne aplikacje

Zawieszone osady można zobaczyć na zdjęciach satelitarnych po wydarzeniach, gdy silne wiatry powodują fale poruszające dnem morskim, jak na tym zdjęciu zachodniej strony Półwyspu Jukatan . Ciemnobrązowa woda pokazuje, gdzie osady pochodzą z lądu przez rzeki, podczas gdy jaśniejsza woda pokazuje, gdzie osady pochodzą z kredowych piasków węglanu wapnia na dnie morskim.

Oprócz chlorofilu, kilka przykładów niektórych sposobów wykorzystania danych o kolorze oceanu obejmuje:

Szkodliwe zakwity glonów

Naukowcy wykorzystują dane dotyczące koloru oceanu w połączeniu z danymi meteorologicznymi i próbkami terenowymi, aby prognozować rozwój i przemieszczanie się szkodliwych zakwitów glonów (powszechnie określanych jako „czerwone przypływy”, chociaż te dwa terminy nie są dokładnie takie same). Na przykład dane MODIS zostały wykorzystane do mapowania Karenia brevis w Zatoce Meksykańskiej.

Osady zawieszone

Naukowcy wykorzystują dane w kolorze oceanu do mapowania zasięgu pióropuszy rzecznych i dokumentują napędzaną wiatrem resuspensję osadów z dna morskiego. Na przykład po huraganach Katrina i Rita w Zatoce Meksykańskiej teledetekcja kolorów oceanu została wykorzystana do mapowania skutków na morzu.

Czujniki

Czujniki używane do pomiaru koloru oceanu to instrumenty mierzące światło o wielu długościach fal (multispektralne) lub ciągłe widmo kolorów (hiperspektralne), zwykle spektroradiometry lub radiometry optyczne. Czujniki koloru oceanu mogą być montowane na satelitach lub samolotach lub używane na powierzchni ziemi.

Czujniki satelitarne

Czujniki poniżej to czujniki satelitarne krążące wokół Ziemi. Ten sam czujnik można zamontować na wielu satelitach, aby zapewnić większy zasięg w czasie (inaczej wyższą rozdzielczość czasową). Na przykład czujnik MODIS jest montowany zarówno na satelitach Aqua, jak i Terra. Ponadto czujnik VIIRS jest montowany zarówno na satelitach Suomi National Polar-Orbiting Partnership (Suomi-NPP lub SNPP), jak i Joint Polar Satellite System (JPSS-1, obecnie znany jako NOAA-20).

Czujniki w powietrzu

Następujące czujniki zostały zaprojektowane do pomiaru koloru oceanu z samolotów do teledetekcji lotniczej:

  • Powietrzny spektrometr obrazowania widzialnego/podczerwonego ( AVIRIS )
  • Airborne Ocean Color Imager (AOCI)
  • Przenośny spektrometr do zdalnego obrazowania (PRISM) pilotowany w ramach projektu CORALS na samolocie Tempus Applied Solutions Gulfstream-IV (G-IV)
  • System obrazowania hiperspektralnego Headwall (HIS)
  • Pakiet radiometru biooptycznego Coastal Airborne In situ Radiometers (C-AIR).
  • Kompaktowy lotniczy skaner spektrograficzny (CASI)

Czujniki na miejscu

Badacz używa spektroradiometru do pomiaru energii świetlnej promieniującej ze stawu topniejącego lodu na Morzu Czukockim latem 2011 roku.

Na powierzchni ziemi, na przykład na statkach badawczych , w wodzie za pomocą boi , lub na pomostach i wieżach, czujniki koloru oceanu wykonują pomiary, które są następnie wykorzystywane do kalibracji i weryfikacji danych z czujników satelitarnych. Kalibracja i walidacja to dwa rodzaje „ prawdy naziemnej ”, które są wykonywane niezależnie. Kalibracja to dostrajanie nieprzetworzonych danych z czujnika w celu dopasowania do znanych wartości, takich jak jasność księżyca lub znana wartość odbicia od powierzchni ziemi. Kalibracja, wykonywana przez cały okres eksploatacji każdego czujnika, ma szczególne znaczenie we wczesnej fazie każdej misji satelitarnej, kiedy czujnik jest opracowywany, uruchamiany i rozpoczyna pierwsze zbieranie nieprzetworzonych danych. Walidacja to niezależne porównanie wykonanych pomiarów in situ z pomiarami wykonanymi z czujnika satelitarnego lub powietrznego. Kalibracja i walidacja satelity pozwalają zachować jakość danych satelitarnych w kolorze oceanu. Istnieje wiele rodzajów czujników in situ, a różne typy są często porównywane w dedykowanych kampaniach terenowych lub eksperymentach laboratoryjnych zwanych „okrężnymi”. Dane in situ są archiwizowane w bibliotekach danych, takich jak archiwum danych SeaBASS . Niektóre przykłady czujników in situ (lub sieci wielu czujników) używanych do kalibracji lub walidacji danych satelitarnych to:

  • Morska boja optyczna ( MOBY )
  • Sieć robotów aerozolowych ( AERONET )
  • Instrument PANTHYR
  • Trio-RAMSY
  • Kompaktowy system profilowania optycznego (C-OPS)
  • Instrumenty HyperSAS i HyperPro

Zobacz też

Linki zewnętrzne

Pobrano z „ https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Ocean_color&oldid=1142946776 ”