MONITORING I PROGNOZOWANIE W EKOSYSTEMACH MORSKICH

Ze swoim globalnym spojrzeniem i całkowitą niezależnością od warunków środowiska obserwacje satelitarne
stały się niemal natychmiast po umieszczeniu na orbicie pierwszego sztucznego satelity Ziemi obiektem
ogromnego zainteresowania badaczy oceanów. Po pierwszym krótkim okresie eksperymentów, testów
i przygotowań bardzo szybko wykorzystanie obserwacji satelitarnych stało się w badaniach oceanograficznych
rutyną. Można przyjąć, że od momentu wejścia do służby operacyjnej serii satelitów meteorologicznych Tiros
N/NOAA w roku 1979 i umieszczenia w tym samym roku na orbicie satelity Nimbus 7 obserwacje i badania
oceanów i mórz weszły w nową erę.

W przypadku oceanów pomiar szeregu parametrów tego
środowiska możliwych do określenia z poziomu satelitarnego
został opanowany w stopniu wystarczającym do prowadzenia
stałego monitoringu. Dotyczy to m.in. temperatury
powierzchni morza (satelita AVHRR/Tiros N/NOAA od
1979 roku), zasięgu i koncentracji lodu morskiego
(SMMR/Nimbus 7, SSM/I/DMSP od roku 1979), prędkości
wiatru przywodnego (SSM/I/DMSP od roku 1992),
parametrów geoidy (TOPEX/Posejdon, Jason 1 od roku 1992),
kierunku i prędkości wiatru przywodnego (QuikScat od roku
2003). W większości podanych przykładów możemy
dysponować co najmniej jednym obrazem całej kuli ziemskiej
na dobę o rozdzielczości od jednego do kilkunastu
kilometrów, a dostęp do danych jest stosunkowo łatwy i nie
wymaga dysponowania dużymi środkami. Umożliwia to
włączenie się do badań nad procesami globalnymi także, nie
dysponujących dużym budżetem, polskich instytucji.

Z punktu widzenia badań oceanograficznych Bałtyk można zaliczyć do małych, płytkich mórz wewnętrznych
położonych w całości w obrębie szelfu kontynentalnego. Tego typu obszary zajmują ok. 18% powierzchni
Ziemi, ale w ich bezpośrednim sąsiedztwie żyje 60% populacji ludzkiej, odławia się 90% ryb i ma miejsce
szacunkowo 30% światowej produkcji pierwotnej. Między innymi jest to przyczyna, dla której ich środowisko
przyrodnicze jest w sposób szczególny narażone na degradację.

Narastanie zagrożeń ekosystemów morskich takich jak zanieczyszczenie wszelkiego rodzaju odpadami
antropogenicznymi, eutrofizacja, toksyczne zakwity fitoplanktonu, przełowienie, degradacja w wyniku
gwałtownego rozwoju komunikacji i turystyki jest zauważane przez społeczność międzynarodową, czego
wyrazem jest coraz większa liczba międzynarodowych umów, konwencji i traktatów. Mamy takich,
tzn. dotyczących środowiska morskiego, uregulowań prawnych obecnie kilkanaście, z czego część dotyczy także
lub nawet wyłącznie Bałtyku. Większość z nich, łącznie z takimi inicjatywami jak GEOSS (Global Earth
Observation System of Systems) czy GMES (Global Monitoring for Environment and Security), implikuje
potrzebę regularnych, wiarygodnych obserwacji szeregu parametrów środowiska morskiego, co dla Polski
oznacza konieczność obserwacji Bałtyku.

W obserwacji i badaniach satelitarnych obszaru szelfów stosuje się zasadniczo te same urządzenia, co
w przypadku oceanów. Jednak w pewnym sensie paradoksalnie jest to obszar znacznie bardziej kłopotliwy pod
tym względem. Generalnie większość procesów, które badamy w morzu odznacza się dużą zmiennością
w czasie i dla ich charakterystyki niezbędna jest duża częstość próbkowania (najlepiej kilka razy dziennie).
W przypadku satelitów umieszczanych na orbitach okołopolarnych (na jakich w większości umieszcza się
urządzenia do badania środowiska przyrodniczego) im większa częstość próbkowania tym gorsza rozdzielczość
przestrzenna. Lepszą rozdzielczością przestrzenną dysponują czujniki optyczne, tym jednak w rejonie Bałtyku
bardzo przeszkadzają chmury. Jeśli już istnieje możliwość wykonania pomiarów to z kolei szereg właściwości
wód szelfowych i duża zmienność atmosfery powodują, że odpowiednie algorytmy wiążące wielkość
rejestrowanego sygnału z właściwościami wody morskiej obarczona jest znacznie większym błędem
pomiarowym niż ma to miejsce w przypadku wody oceanicznej.

Te wspomniane wyżej i inne nie wymienione tutaj uwarunkowania powodują, że satelitarne metody obserwacji
takich akwenów jak Bałtyk wciąż są jeszcze dalekie od doskonałości. Jednak koncentrując się jedynie na
monitoringu i badaniach środowiska można wskazać szereg parametrów, które już są monitorowane lub takich,
nad których możliwością określania z wykorzystaniem danych satelitarnych trwają intensywne badania.
Znajdujący się w ostatnim stadium przygotowań raport europejskiej grupy ekspertów MB-ESF (Marine Board –
European Science Foundation) zatytułowany „Remote Sensing of Shelf Sea Ecosystems” umieszcza je w dwóch

©

Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej

www.kosmos.gov.pl

Zlodzenie i pokrywa śnieżna na Morzu Bałtyckim, satelita
Meteosat 8, kompozycja RGB, 2004.02.04.
Źródło: EUMETSAT.

grupach: parametrów możliwych do określenia na podstawie analizy barwy morza i pozostałych istotnych dla
monitorowania wód szelfowych.

Źródłem danych w przypadku parametrów możliwych do określenia na podstawie analizy barwy morza są
radiometry czułe na promieniowanie elektromagnetyczne w przedziale długości fal określanym jako
promieniowanie widzialne. Analizie poddawana jest ta część promieniowania słonecznego, która przeniknęła do
morza, i została w nim rozproszona w kierunku czujnika na pokładzie satelity. Po wyeliminowaniu wpływu
atmosfery (dokonaniu tzw. korekcji atmosferycznej) można na podstawie analizy widma takiego
promieniowania, zmodyfikowanego przez niektóre składniki wody morskiej, określić ich obecność
i koncentrację. Do wielkości, które można otrzymać w ten sposób należą:

1.

Koncentracja chlorofilu a – jest to podstawowy
parametr, wyznaczany na podstawie analizy stosunku
radiacji (luminancji energetycznej) w świetle niebieskim
(pasmo absorpcji chlorofilu) do jej wartości w świetle
zielonym (w tym zakresie koncentracja chlorofilu nie
ma znaczenia dla wielkości sygnału).

2.

Koncentracja tzw. substancji żółtych (rozpuszczone w
wodzie związki organiczne powstałe na skutek rozkładu
materii organicznej) określanych akronimem CDOM
(chromophoric dissolved organic matter). Na podstawie
analizy widma przede wszystkim w jego krótkofalowej
(niebieskiej) części można otrzymać semi-analityczne
algorytmy pozwalające na ilościową charakterystykę
CDOM w morzu. Znane są też rozwiązania z
wykorzystaniem sieci neuronowych.

3.

Koncentracja zawiesiny – całkowita masa substancji
zawieszonych w wodzie morskiej określana na
podstawie wielkości radiacji rozproszonej w wodzie w
kierunku czujnika na satelicie. Bardzo słabo zależna od
długości fali promieniowania. Parametr ten jest dobrym
wskaźnikiem kierunku i zasięgu rozpływu wód
lądowych w morzu i ogólnie stopnia zanieczyszczenia
wody.

4.

Dyfuzyjny współczynnik osłabiania oświetlenia K

d

– wskaźnik właściwości optycznej wody morskiej

związanej ze stopniem jej zmętnienia. Jego znajomość umożliwia ocenę skuteczności przenikania światła
słonecznego w głąb morza. Najczęściej określany na podstawie wielkości radiacji rejestrowanej w dwóch
kanałach spektralnych (np. 490 i 555 nm).

Źródłem informacji satelitarnej umożliwiającej wyznaczanie wymienionych parametrów są urządzenia
dedykowane do badania koloru morza. Zestawienie misji satelitarnych i podstawowe parametry urządzeń
dedykowanych tego rodzaju obserwacjom przedstawiono w poniższej tabeli. Aktualnie najłatwiejszy dostęp do
danych zapewnia NASA, właściciel radiometru MODIS pracującego na dwóch satelitach Terra i Aqua.

Zestawienie misji satelitarnych dedykowanych do pomiaru koloru morza

A.

Historia

CZUJNIK

WŁAŚCICIEL SATELITA

CZAS DZIAŁANIA

SZEROKOŚĆ

ŚCIEŻKI

(km)

ROZDZIEL-

CZOŚĆ

(m)

LICZBA

KANAŁÓW

ZAKRES

SPEKTRALNY

(nm)

ORBITA

CZCS

NASA
(USA)

Nimbus-7

(USA)

24/10/78 - 22/6/86

1556

825

6

433-12500

Polarna

CMODIS

CNSA

(Chiny)

SZ-3

(Chiny)

25/3/02 - 15/9/02

-

400

34

403-12500

Polarna

COCTS

CNSA

(Chiny)

HY-1A

(Chiny)

15/5/02 - 1/4/04

1400

1100

10

402-12500

Polarna

CZI

CNSA

(Chiny)

HY-1A

(Chiny)

15/5/02 - 1/4/04

500

250

4

420-890

Polarna

GLI

NASDA

(Japonia)

ADEOS-

II

(Japonia)

25/1/03 - 24/10/03

1600

250/1000

36

375-12500

Polarna

MOS

DLR

(Niemcy)

IRS P3

(Indie)

21/3/96 - 31/5/04

200

500

18

408-1600

Polarna

OCTS

NASDA

(Japonia)

ADEOS

(Japonia)

03/9/96 - 29/6/97

1400

700

12

402-12500

Polarna

©

Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej

www.kosmos.gov.pl

Zakwit fitoplanktonu na Morzu Bałtyckim, obraz z satelity
Envisat's MERIS, 13.07. 2005. Źródło: ESA.

POLDER

CNES

(Francja)

ADEOS

(Japonia)

16/9/96 - 29/6/97

2400

6 km

9

443-910

Polarna

POLDER-2

CNES

(Francja)

ADEOS-

II

(Japonia)

01/2/03 - 24/10/03

2400

6000

9

443-910

Polarna

B. Stan obecny (2006)

CZUJNIK

WŁAŚCICIEL

SATELITA

POCZĄTEK

MISJI

SZEROKOŚĆ

ŚCIEŻKI

(km)

ROZDZIEL-

CZOŚĆ

(m)

LICZBA

KANAŁÓW

ZAKRES

SPEKTRALNY

(nm)

ORBITA

MERIS

ESA

(Europe)

ENVISAT

(Europe)

01/03/02

1150

300/1200

15

412-1050

Polarna

MMRS

CONAE

(Argentyna)

SAC-C

(Argentyna)

21/11/00

360

175

5

480-1700

Polarna

MODIS-
Aqua

NASA
(USA)

Aqua

(EOS-PM1)

04/05/02

2330

1000

36

405-14385

Polarna

MODIS-
Terra

NASA
(USA)

Terra

(USA)

18/12/99

2330

1000

36

405-14385

Polarna

OCI

NEC

(Japonia)

ROCSAT-1

(Taiwan)

27/01/99

690

825

6

433-12500

Polarna

OCM

ISRO

(Indie)

IRS-P4

(Indie)

26/05/99

1420

350

8

402-885

Polarna

OSMI

KARI

(Korea)

KOMPSAT

(Korea)

20/12/99

800

850

6

400-900

Polarna

PARASOL

CNES

(Francja)

Myriade

Series

18/12/04

2100

6000

9

443-1020

Polarna

SeaWiFS

NASA
(USA)

OrbView-2

(USA)

01/08/97

2806

1100

8

402-885

Polarna

C. Przyszłość

CZUJNIK

WŁAŚCICIEL

SATELITA

PLANOWANY

POCZĄTEK MISJI

SZEROKOŚĆ

ŚCIEŻKI

(km)

ROZDZIEL-

CZOŚĆ

(m)

LICZBA

KANAŁÓW

ZAKRES

SPEKTRALNY

(nm)

ORBITA

GOCI

KARI/KORDI

COMS-1

(Korea)

2008

2500

500

8

400 - 865

Geostacjonarna

GOCI

KARI/KORDI

COMS-2

(Korea)

2014

2500

500

8

400 - 865

Geostacjonarna

HES-CW

NOAA/NESDI

S

GOES-R

(USA)

2012

400

30 - 300

14

412 - 900

Geostacjonarna

OCM-II

ISRO (Indie)

IRS-P7

(Indie)

2007

-

1000 - 4000

8

400 - 900

Polarna

S-GLI

JAXA

(Japonia)

GCOM-C

(Japonia)

2011

1150

250/1000

19

375 - 12500

Polarna

VIIRS

NASA / IPO

NPP

2008

3000

370 / 740

22

402 - 11,800

Polarna

VIIRS

NASA / IPO

NPOESS

2012

3000

370 / 740

22

402 - 11,800

Polarna

Dotychczas w Polsce najwięcej czasu poświęcono określeniu koncentracji chlorofilu w powierzchniowej
warstwie morza, korzystając w tym celu przede wszystkim z danych radiometru SeaWiFS i w ostatnim okresie
MODIS. W tym celu opracowana została modyfikacja standardowego (oceanicznego) algorytmu OC4 i korekcji
atmosferycznej do warunków morza szelfowego i atmosfery nadbałtyckiej. Dysponowanie uzyskanymi w taki
sposób danymi o rozkładzie tego parametru umożliwia monitorowanie szeregu innych procesów i zjawisk
w morzu takich jak wnioskowanie o stopniu eutrofizacji, identyfikacji, zasięgu i dynamice toksycznych
zakwitów glonów czy, przy wykorzystaniu także innych „produktów” satelitarnych określaniu wielkości
produkcji pierwotnej w Bałtyku.

Do grupy parametrów określonych jako inne istotne dla obserwacji i badań mórz szelfowych eksperci MB-ESF
zaliczyli:

1.

Temperaturę powierzchni morza (SST) – wielkość wyznaczana na podstawie danych satelitarnych
w trybie quasi operacyjnym od 1979 r. ze standardową rozdzielczością przestrzenną 1 km i dokładnością ok.
1°C przy rozdzielczości 0.1°C. Oprócz informacji o termice powierzchniowej warstwy morza służy jako
parametr umożliwiający obserwację i badanie wielu procesów w morzu, także zachodzących głęboko pod
jego powierzchnią (upwellingi przybrzeżne, struktury wirowe, rozprzestrzenianie się wód lądowych itd.).
SST wyznaczane na podstawie danych satelitarnych jest parametrem asymilowanym do modeli
hydrodynamicznych, co ma ogromny wpływ na podniesienie ich dokładności. Pomiar satelitarny
wykonywany jest przede wszystkim przez radiometry rejestrujące promieniowanie podczerwone
(np. AVHRR, MODIS) zapewniające rozdzielczość przestrzenną rzędu 1 km, ale wymagające bezchmurnej
atmosfery. Tego typu informacja w czasie niemal rzeczywistym jest stosunkowo łatwo dostępna także
w Polsce. Innym źródłem informacji o temperaturze morza są radiometry mikrofalowe (np. AMSR-E na

©

Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej

www.kosmos.gov.pl

satelicie Aqua). W tym przypadku otrzymujemy informację w każdych warunkach meteorologicznych, ale
rozdzielczość przestrzenna rzędu ponad 30 km powoduje, że zastosowanie takiej informacji dla morza
o wielkości Bałtyku jest bardzo ograniczone.

2.

Strumień promieniowania słonecznego na powierzchni morza – wielkość określana na podstawie
połączenia modelu/modeli transmisji atmosfery i danych o wielkości i jakości zachmurzenia. Może być
wyznaczany dla dowolnego przedziału widma z przedziału 0.3-4 µm (np. dla zakresu PAR). Ze względu na
tempo zmian zachmurzenia najlepszym materiałem satelitarnym wydają się być dane w zakresie widzialnym
rejestrowane przez satelity geostacjonarne (aktualnie w przypadku Morza Bałtyckiego – Meteosat 8)

3.

Wiatr przypowierzchniowy – jeden z podstawowych parametrów istotnych dla wiarygodnego
funkcjonowania modeli hydrodynamicznych. Prędkość i kierunek wiatru wyliczany jest na podstawie
analizy promieniowania mikrofalowego generowanego, pod co najmniej dwoma kątami w stronę morza
i rozproszonego wstecz w kierunku anteny przez jego sfalowaną powierzchnię. Urządzenie umożliwiające
tego rodzaju pomiar określane jest jako skaterometr (scatterometer). Aktualnie w trybie quasi operacyjnym
taka informacja jest generowana na podstawie danych satelity QuikScat. Każdy punkt hydrosfery ziemskiej
jest skanowany w ten sposób dwa razy na dobę. Rozdzielczość przestrzenna wynosi 25 km. Skaterometry
pracują lub pracowały na pokładach szeregu innych satelitów (ERS-1, ERS-2, ADEOS, MetOp).

4.

Wysokość fali znacznej (significant wave height) – parametr określany na drodze analizy pomiarów
altymetrycznych. W przypadku Bałtyku ważny dla kalibracji modeli falowania wiatrowego.

5.

Topografia morza (sea surface height) – poziomy gradient nachylenia swobodnej powierzchni morza
określany na drodze pomiarów altymetrycznych. Aktualnie wychylenie to jest odnoszone do pojemności
cieplnej kolumny wody gdyż jej objętość jest „kontrolowana” głównie przez temperaturę (w znacznie
mniejszym stopniu przez zasolenie). W celu określenia absolutnej topografii powierzchni morza konieczna
jest dokładna znajomość kształtu geoidy. W innym przypadku wykorzystujemy jedynie informacje
o względnych wychyleniach. W najbliższym czasie tzn. z chwilą rozpoczęcia działalności urządzeń do
pomiarów geodezyjnych GRACE i GOCE zainstalowanych na właśnie wystrzelonym satelicie MetOp
prawdopodobnie możliwe będzie określenie bezwzględnych wartości wychylenia swobodnej powierzchni
morza. Niestety rozdzielczość przestrzenna rzędu 100 km właściwie skazuje na razie wykorzystanie tych
danych do obliczeń dynamicznych w skali globalnej.

6.

Kształt powierzchni morza – określany na podstawie pomiarów mikrofalowych przy użyciu radaru
o antenie syntetyzowanej (SAR). Materiał rejestrowany przez SAR umożliwia określanie parametrów
falowania wiatrowego, łącznie z jego widmem, a także niektórych charakterystyk falowania wewnętrznego.
Można na jego podstawie śledzić rozlewy olejowe, wnioskować o prędkości i kierunku wiatru,
identyfikować prądy pływowe.

W strefie brzegowej wykorzystywane są obecnie zdjęcia o średniej i dużej rozdzielczości pozyskiwane z takich
satelitów jak Landsat7 ETM+, SPOT 5, IKONOS i Quickbird. Ich rozdzielczość przestrzenna dla zdjęć
multispektralnych wynosi od 30 do 2.5 m, a dla zdjęć panchromatycznych od 15 do 0.6 m. Kanał
panchromatyczny jest często wykorzystywany do zwiększania rozdzielczości informacji multispektralnej za
pomocą techniki pansharpeningu. Zdjęcia te są często integrowane w systemach GIS z innymi rodzajami
informacji przestrzennej do wszechstronnej analizy środowiska przyrodniczego strefy brzegowej. Typowymi
obiektami badań są zmiany linii brzegowej, batymetria przybrzeżnych płycizn, pokrycie dna roślinnością oraz
procesy erozyjne i akumulacyjne na brzegu morza. W ostatnim czasie wzrosła potrzeba analizy zagrożeń
w strefie brzegowej powodowanych przez spodziewany wzrost poziomu morza, oraz ocena różnorodnych
oddziaływań na obszary chronione. Do tworzenia szczegółowych map pokrycia terenu pasa brzegowego
wykorzystuje się metody klasyfikacji obiektowej multispektralnych zdjęć satelitarnych o dużych
rozdzielczościach integrowanych z numerycznymi modelami terenu.

Opracowanie: B. Woźniak, M. Krężel
Redakcja: A. Foks-Ryznar, A. Iżykowska

©

Polskie Biuro ds. Przestrzeni Kosmicznej

www.kosmos.gov.pl