REKLAMA


 

REKLAMA


 

Monitorowanie stanu wód Bałtyku tradycyjnymi metodami z pokładów statków prowadzone jest od wielu lat – w Polsce głównie przez Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej Monitorowanie stanu wód Bałtyku tradycyjnymi metodami z pokładów statków prowadzone jest od wielu lat – w Polsce głównie przez Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej www.sxc.hu

Rutynowe monitorowanie wód oceanów jest kosztowne i niedoskonałe. Badacze pokładają nadzieję w nowej metodzie – teledetekcji satelitarnej


Dera_Jerzy

Autorami tekstu są

Jerzy Dera

Instytut Oceanologii, Polska Akademia Nauk, Sopot
e-mail: Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.  

 

Prof. Jerzy Dera jest członkiem rzeczywistym PAN, współtwórcą i wieloletnim pracownikiem IO PAN, wykłada fizykę morza na Uniwersytecie Gdańskim, autor prac i książek z fizyki morza. 

 

 

Wozniak_Bogdan

Bogdan Woźniak
Instytut Oceanologii, Polska Akademia Nauk, Sopot
e-mail: Ten adres pocztowy jest chroniony przed spamowaniem. Aby go zobaczyć, konieczne jest włączenie w przeglądarce obsługi JavaScript.

 

Prof. Bogdan Woźniak jest fizykiem, kieruje Zakładem Fizyki Morza IO PAN wykłada w Akademii Pomorskiej w Słupsku, inicjator i lider satelitarnych badań morza w Polsce, kierownik Projektu SatBałtyk.


Oceany i morza podtrzymują trwanie wielorakich procesów przyrodniczych, niezbędnych do życia człowieka na naszym globie. Proces fotosyntezy w oceanach i morzach w ogromnym stopniu determinuje zawartość tlenu i dwutlenku węgla w atmosferze. Dzięki temu oceany kształtują klimat Ziemi i stabilizują efekt cieplarniany. Olbrzymi wpływ na klimat Ziemi ma także przenoszenie przez wody oceanów gigantycznych ilości ciepła i nawilżanie atmosfery. Zależnie od stanu wód danego rejonu morza oczyszczają lub zanieczyszczają atmosferę, dostarczają zdrowej lub niezdrowej żywności, dostarczają lub nie dostarczają użytecznych surowców, zapewniają bezpieczną żeglugę lub jej nie zapewniają, zachęcają rzesze turystów do korzystania z nadmorskiej rekreacji i wypoczynku i umożliwiają im to albo zniechęcają do tej rekreacji i zagrażają ludzkiemu zdrowiu.

 

W skali wszechoceanu uwarunkowania te wynikają głównie z geograficznego zróżnicowania dopływu energii słonecznej, oddziaływania oceanu z atmosferą i globalnych cyrkulacji ciepłych i zimnych mas wody. Jednak i w tej wielkiej skali oddziaływanie naszej cywilizacji na środowisko, w tym zanieczyszczanie atmosfery i rzek, modyfikują w sposób niekorzystny te naturalne uwarunkowania życia człowieka i przyczyniają się do zmian globalnych, które powinniśmy monitorować i przewidywać, aby ludzkość mogła przetrwać. Dlatego zespoły ekspertów organizacji międzynarodowych, takich jak Organizacja Narodów Zjednoczo-nych, Międzyrządowa Komisja Oceanogra-ficzna UNESCO czy Międzynarodowa Rada Eksploracji Morza, wzywają do ciągłego monitorowania środowiska morskiego i poprzez różne programy i konwencje międzynarodowe np. konwencję helsińską) zobowiązują do tego kraje nadmorskie.

 

Morze Bałtyckie jako morze półzamknięte i otoczone ze wszystkich stron krajami licznie zamieszkanymi, z dopływem wielu rzek i ścieków, rozbudowanymi portami i wielorakim przemysłem narażone jest na wyjątkowo silny wpływ antropogenicznych czynników – odpadów i nawozów z pól i łąk, szkodliwych ścieków przemysłowych, ropy, siarki, spalin i wielu in. Polska jest przy tym największym dostawcą azotu i fosforu do Bałtyku, spływającego z wodami Wisły i Odry. Kontrola skutków tych licznych zanieczyszczeń i niepożądanej nadmiernej eutrofizacji Bałtyku jest konieczna, zarówno po to, aby skuteczniej im zapobiegać, jak i po to, by racjonalnie planować i optymalnie wykorzystywać przestrzeń i zasoby morza.

 

Monitorowanie oceanu

 

Monitorowanie stanu wód Bałtyku tradycyjnymi metodami z pokładów statków prowadzone jest od wielu lat – w Polsce głównie przez Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej. Te tradycyjne metody polegają głównie na poborze prób wody z morza i ich laboratoryjnych analizach fizycznych, chemicznych, biologicznych i innych. Część z nich zawsze będzie potrzebna. Jednak rutynowe monitorowanie w ten sposób stanu środowiska i zmian jego funkcjonowania jest niedoskonałe i kosztowne. Angażuje statki badawcze z załogami i ekipami naukowymi a dostarcza tylko wyniki testów z ograniczonej liczby punktów przestrzeni tego bardzo zmiennego środowiska wodnego w ograniczonym czasie. Można natomiast przewidzieć, że widoczna z daleka (z satelity) odpowiednia zmiana koloru danego rejonu morza w dziennym świetle prezentuje określone zmiany w środowisku. Np. dana zmiana koloru świadczy o przyroście masy glonów, a ten z kolei jest wynikiem (i wskaźnikiem) zwiększonego dopływu substancji biogenicznych (związków fosforu, azotu i in.) prowadzących do eutrofizacji akwenu. Takie i inne związki pomiędzy widmem światła dziennego wychodzącego z morza na skutek rozpraszania i odbicia w toni wodnej (tj. kolorem morza) a koncentracją różnych grup substancji zawartych w wodzie morskiej, ustala się na podstawie wielu badań empirycznych i coraz powszechniej wykorzystuje do zdalnego monitorowania zawartości tych substancji w morzu. Radiometry na satelitach rejestrują natężenie i widma światła wychodzącego z morza i z pomocą ww. modelowych formuł matematycznych umożliwiają wyznaczanie koncentracji tych substancji w przypowierzchniowej warstwie morza (np. chlorofilu a). Formuły modelowe wiążą te koncentracje z oświetleniem (czyli dopływem energii), temperaturą powierzchni morza (które także rejestrują satelity), głębokością w morzu i in. W sumie dane satelitarne pozwalają wyznaczać różne charakterystyki środowiska wodnego (w tym wydajność kwantową fotosyntezy, szybkość produkcji materii organicznej w danym rejonie morza, a nawet obecność ryb). Odpowiednio zestawiony zbiór wielu formuł tworzy algorytm do obliczenia badanych charakterystyk środowiska morskiego na podstawie danych rejestrowanych przez satelity, tj. danych natężeń fal elektromagnetycznych różnych długości (świetlnych i innych) wychodzących z morza oraz temperatury powierzchni morza na podstawie jej promieniowania podczerwonego. Aktualnie wiele satelitów rejestruje te wielkości systematycznie, m.in. z rejonu Bałtyku. Różne satelity rejestrują różne pasma fal i z różną rozdzielczością przestrzenną (tzw. piksele skanowania obejmują np. 1 km2, 4 km2 i więcej). Dane satelitarne i odpowiednie algorytmy obliczeniowe pozwalają sprawnie wyznaczać różne ważne charakterystyki środowiska morskiego i tworzyć mapy rozkładów jego charakterystyk. Kolory na tych mapach wyrażają wartości charakterystyk w poszczególnych rejonach morza, odpowiednio do zamieszczonej obok skali wartości oznaczonych umownie tymi kolorami. Są to prezentacje poglądowe, natomiast szczegółowe informacje o tych charakterystykach przechowuje się w elektronicznej wersji cyfrowej. Poglądowe prezentacje graficzne tych map są również dostępne w wersji elektronicznej, która pozwala je z łatwością powiększać i dokładniej porównywać kolory w dowolnych miejscach mapy z kolorami skali wartości danej charakterystyki.

 

 

Rozkłady dwóch wybranych charakterystyk ekosystemu Bałtyku, zarejestrowane zdalnie techniką satelitarną
(9 maja 2001, Darecki i in. 2008):

a) Doza dzienna energii oświetlenia powierzchni Bałtyku promieniowaniem użytecznym dla fotosyntezy (Photosynthetically Available Radiation – PAR), tj. w przedziale długości fal 400-700 nm, wyrażona  w megadżulach na dobę [MJ/day].
b) Koncentracja chlorofilu a w powierzchniowej warstwie morza Ca, wyrażona w miligramach na metr sześcienny wody [ mg/m3]

 

 

Rozkład temperatury powierzchniowej wyrażonej w [oC] (a) i całkowitej dziennej produkcji materii organicznej Ptot w toni wodnej Bałtyku, wyrażonej w gramach węgla asymilowanego w czasie 1 doby w słupie wody pod 1 metrem kwadratowym  powierzchni morza [g C / m-2 day-1] (b), zarejestrowane zdalnie techniką satelitarną (9 maja 2001; Darecki i in. 2008 )

 

Zespoły naukowe w Sopocie, Gdyni, Słupsku i Szczecinie pracują od lat nad wykorzystaniem optycznych metod teledetekcji satelitarnej do badań i monitorowania środowiska Morza Bałtyckiego. Polska zajmuje w tej specjalności naukowej wysoką pozycję i tworzy system satelitarnej kontroli środowiska Bałtyku w ramach dużego projektu SatBałtyk, którego inicjatorem i koordynatorem jest Instytut Oceanologii PAN.

 

Możliwości i ograniczenia

 

Łatwiej monitoruje się otwarte wody oceanu. Zastosowanie tych samych metod do monitorowania środowiska Bałtyku jest o wiele trudniejsze ze względu na dużą złożoność i zmienność tych wód pod wpływem czynników antropogenicznych.

 

Pierwsze ograniczenie zastosowań techniki satelitarnej do monitorowania środowiska Bałtyku wynika z losowo zmiennego pochłaniania i rozpraszania światła w atmosferze nadbałtyckiej. Widma światła niosącego informacje przez atmosferę do satelity są tutaj szczególnie mocno zniekształcane oraz osłabiane przez aerozole i mgły, a często praktycznie w ogóle nieprzepuszczane przez chmury. Wprowadzanie tzw. poprawki atmosferycznej tych widm jest problemem nierozwiązanym do końca i powodem dużych błędów wyznaczania charakterystyk morza. Drugim ograniczeniem jest nakładanie się pasm absorpcji światła przez różne składniki mieszaniny substancji zawartych w wodzie bałtyckiej, w tym licznych barwnych substancji organicznych i różnego rodzaju cząstek zawiesiny wpływających z wodami rzek do Bałtyku. Utrudniają one identyfikację zawartości substancji badanych na podstawie ich pasm absorpcji, a ściślej na podstawie reflektancji, czyli tej reszty niepochłoniętego światła, która wychodzi z powrotem z morza i rejestrowana jest przez satelitę. Problemy te rozwiązują w pewnym stopniu modele statystyczne oparte na wynikach tysięcy wcześniejszych, kompleksowych pomiarów przeprowadzonych in situ. Dla przedziałów czasu i przestrzeni, kiedy brakuje danych satelitarnych z powodu zachmurzenia nieba, stosuje się interpolację punktów wyznaczanej charakterystyki z wykorzystaniem danych obliczonych z modeli prognostycznych. Mimo to błędy tych pomiarów nie są małe. Na przykład standardowe odchylenie wartości uśrednionej na obszarze „piksela” satelitarnego skanowania (1 km2 i więcej) od wartości punktowych zmierzonych in situ wynosi: dla dziennej dozy dopływającej do morza energii promieniowania w przedziale długości fal fotosyntetycznie aktywnej radiacji (PAR, 400-700 nm) ok. 23% a dla koncentracji chlorofilu a przekracza nawet 50% . Podobne błędy wprowadza jednak także metoda wyznaczania przestrzennych rozkładów tych i innych wielkości na podstawie wyników dokładnych analiz punktowych, ale zebranych najczęściej tylko w nielicznych punktach badanej przestrzeni morskiej, i to nie jednocześnie, tylko kolejno w czasie dni lub tygodni trwania rejsu badawczego. W odniesieniu do chlorofilu a można natomiast przyjąć, że nawet 50-procentowe różnice pomiędzy wartościami punktowymi jego koncentracji i wartościami uśrednionymi wyznaczonymi techniką satelitarną są małe wobec naturalnych zmian koncentracji chlorofilu w Bałtyku o mniej więcej 3 rzędy wielkości. Z tych względów celowe jest wykorzystywanie techniki satelitarnej, ale jednocześnie też doskonalenie jej algorytmów i ich weryfikacja na podstawie wyników dokładnych punktowych pomiarów in situ z pomocą boi pomiarowych i statków badawczych.

 

Program SatBałtyk

 

Historia polskich optycznych badań morza ma już 50 lat. W latach 2001-2005 Instytut Oceano- logii PAN wspólnie z Instytutem Oceanografii Uniwersytetu Gdańskiego i Instytutem Fizyki Akademii Pomorskiego w Słupsku stworzyły oryginalny, wysoce złożony algorytm do wyznaczania wielu charakterystyk środowiska Bałtyku z wykorzystaniem optycznych danych z satelitów. Nazwano go DESAMBEM od pierwszych liter angielskiej nazwy projektu (Development of Satellite Method for Balic Ekosystem Monitoring). Na podstawie tego algorytmu budowany jest system satelitarnej kontroli środowiska Bałtyku. Instytut Oceanologii PAN koordynuje projekt SatBałtyk, który realizują zespoły naukowe konsorcjum, w skład którego wchodzi oprócz IO PAN: Instytut Oceanografii Uniwersytetu Gdańskiego, Instytut Fizyki Akademii Pomorskiej i Instytut Nauk o Morzu Uniwersytetu Szczecińskiego. Kierownikiem tego projektu jest prof. dr hab. Bogdan Woźniak.Głównym celem projektu jest przygotowanie i uruchomienie bazy technicznej oraz procedur operacyjnych umożliwiających sprawne, rutynowe określanie stanów środowiska Bałtyku, tworzenie map jego charakterystyk strukturalnych i funkcjonalnych, w tym dopływu i charakterystyk energii (PAR , UV), rozkładów temperatury, stanu dynamicznego powierzchni morza, stężenia chlorofilu i innych pigmentów fitoplanktonu, zakwitów trujących alg, występowania prądów wynoszących wody z głębi ku powierzchni morza („upwellingów”), pojawiania się plam zanieczyszczeń, w tym rozlewów ropy oraz charakterystyk produkcji pierwotnej materii organicznej.

 

Baza będzie zbierała informacje z satelitów meteorologicznych, środowiskowych i innych przeznaczonych do celów specjalnych, m.in. TRIOS N/NOAA, MSG Meteosat 9, EOS/AQUA, DMSP, ENVISAT. Wykorzystywane będą również informacje z modeli matematycznych morza i atmosfery.

 

 

Chcesz wiedzieć więcej?

Woźniak B., Bradtke K., Darecki M., Dera J., Dzierzbicka L., Ficek D., Furmańczyk K., Kowalewski M.,. Krężel A., Majchrowski R., Ostrowska M., Paszkuta M., Stoń-Egiert J., Stramska M., Zapadka T., 2011, SatBaltic – A Baltic environmental satellite remote sensing system – an ongoing Project in Poland. Part 1: Assumptions, scope and operating range, Oceanologia, 53(4), 897-924.
Woźniak B., Bradtke K., Darecki M., Dera J., Dudzińska--Nowak J., Dzierzbicka L., Ficek D., Furmańczyk K., Kowalewski M., Krężel A., Majchrowski R., Ostrowska M., Paszkuta M., Stoń-Egiert J., Stramska M., Zapadka T., 2011, SatBaltic – A Baltic environmental satellite remote sensing system – an ongoing Project in Poland. Part 2: Practical applicability and preliminary results, Oceanologia, 53(4), 925-958.


© Academia nr 2 (30) 2012

 

 

Oceń artykuł
(0 głosujących)

Tematy

agrofizyka antropologia kultury antropologia społeczna archeologia archeometalurgia architektura Arctowski arteterapia astrofizyka astronomia badania interdyscyplinarne behawioryzm biochemia biologia biologia antaktyki biologia płci biotechnologia roślin borelioza botanika chemia chemia bioorganiczna chemia fizyczna chemia spożywcza cywilizacja demografia edukacja ekologia ekologia morza ekonomia energia odnawialna etnolingwistyka etnomuzykologia etyka ewolucja fale grawitacyjne farmakologia filozofia finansowanie nauki fizyka fizyka jądrowa gender genetyka geochemia środowiska geoekologia geofizyka geografia geologia geologia planetarna geoturystyka grafen historia historia idei historia literatury historia nauki historia sztuki humanistyka hydrogeologia hydrologia informatyka informatyka teoretyczna internet inżynieria inżynieria materiałowa język językoznawstwo kardiochirurgia klimatologia kobieta w nauce komentarz komunikacja kosmologia kryptografia kryptologia kulinaria kultoznawstwo kultura lingwistyka literatura literaturoznawstwo matematyka medycyna migracje mikrobiologia mineralogia mniejszości etniczne mniejszości narodowe modelowanie procesów geologicznych muzykologia mykologia na czasie nauka obywatelska neurobiologia neuropsychologia nowe członkinie PAN 2017 oceanografia ochrona przyrody orientalistyka ornitologia paleobiologia paleontologia palinologia parazytologia PIASt politologia polityka społeczna polska na biegunach prawo protonoterapia psychologia psychologia zwierząt punktoza Puszcza Białowieska robotyka rozmowa „Academii” seksualność smog socjologia szczepienia sztuka technologia wieś w obiektywie wulkanologia zastosowania zdrowie zoologia zwierzęta źródła energii żywienie

Komentarze

O serwisie

Serwis naukowy prowadzony przez zespół magazynu Academia PAN.Academia Zapraszamy do przysyłania informacji o badaniach, aktualnie realizowanych projektach naukowych oraz imprezach popularyzujących naukę.

 

Dla użytkowników: Regulamin

Pliki cookies

Informujemy, że używamy ciasteczek (plików cookies) w celu gromadzenia danych statystycznych, emisji reklam oraz prawidłowego funkcjonowania niektórych elementów serwisu. Pliki te mogą być umieszczane na Państwa urządzeniach służących do odczytu stron, a korzystając z naszego serwisu wyrażacie Państwo zgodę na używanie cookies, zgodnie z aktualnymi ustawieniami przeglądarki.

Więcej informacji o celu używania i zmianie ustawień ciasteczek w przeglądarce: TUTAJ

Wydanie elektroniczne

Kontakt

  • pisz:

    Redakcja serwisu online
    Academia. Magazyn Polskiej Akademii Nauk
    PKiN, pl. Defilad 1, pok. 2110
    (XXI piętro)
    00-901 Warszawa

  • dzwoń:

    tel./fax (+48 22) 182 66 61 (62)

  • ślij:

    e-mail: academia@pan.pl