KAUGSEIRE RAKENDUSED OOKEANIDE JA MEREDE UURINGUTES (0)

TALLINNA TEHNIKAÜLIKOOL
Matemaatika-loodusteaduskond
Meresüsteemide Instituut
Erik Illaste
YAEB-12
KAUGSEIRE RAKENDUSED
OOKEANIDE JA MEREDE UURINGUTES
Referaat
Õppeaine: Üldine okeanograafia ja limnoloogia
Õppejõud: Prof . Urmas Lips
Tallinn 2015
SISUKORD
Sissejuhatus.........................................................................................................................2
1. Kaugseire mõiste............................................................................................................2
1.1. Passiivsed seadmed ............................................................................................3
1.2. Aktiivsed seadmed...............................................................................................3
1.3 Kaugseire andmeid mõjutavad tegurid.................................................................4
2. Uurimisobjektid...............................................................................................................4
2.1. Klorofülli, heljumi ja kollase aine kaugseire........................................................4
2.2. Pinnakihi temperatuuri määramine.....................................................................5
2.3. Järvede seire .......................................................................................................6
3. Vahendid ja meetodid.....................................................................................................6
3.1. GPS - Üleilmse asukohamääramise süsteem.....................................................7
3.2. Satelliidid .............................................................................................................7
3.3. Detektorid............................................................................................................8
3.4. Radar ja LIDAR ..................................................................................................10
3.5. Andmete töötlus ja mudeliteks integreerimine ....................................................11
Kasutatud kirjandus...........................................................................................................12
Sissejuhatus
Maa pinnast katab vesi 74%, millest omakorda 94% on ookeanides . Vee hulk, selle ringlus ja kvaliteet on inimestele elutähtsad nii tarbevee seisukohalt kui ka kaudsemalt elukeskonda ja ilma puudutavate faktorite näol. Veeringega seotud nähtuste paremaks tundmiseks on paljudele jõgedele paigaldatud veetaseme ja voolukiiruse mõõtjad; imajaamad koguvad andmeid vihma ja lume kohta, tervisekaitse- ja keskkonnateenistused analüüsivad veeproove. Sealjuures pole alati võimalik koguda piisavalt andmeid, et oleks reaalne statistiliselt usaldusväärsete tulemuste saamine tähtsate hüdroloogiliste näitajate kohta, nagu veekogude pindala, lume veesisaldus , jääväljade pindala, jää veesisaldus, pilvisus, sademed ja veeaur. Seetõttu on hakatud aina enam välja töötama ja praktikas rakendama vee kaugseire meetodeid . Füüsikalis-bioloogiliste teaduste edendajad on aastakümneid seisnud silmitsi informatsiooni hankimise ja töötlemisega seotud väljakutsetega, ning on identifitseerinud ja utiliseerinud satelliit -kaugseire sensortehnoloogiaid tähtsate ja järjepidevate informatsiooni ammutamise allikatena atmosfääri, ookeanide ja maapinna uurimiseks erinevates ruumilis-ajalistes mastaapides. Mitmeid teadusharusid hõlmav kaalukas hulk teaduslikku kirjandust dokumenteerib kaugseire andmete analüüsi tehnikaid ja nende praktilisust ning potentsiaali identifitseerimaks globaalseid muutusi puudutavaid keskkondlikke atribuute ja füüsilis-bioloogiliste protsesside monitooringut. Kiirelt arenev kaugseire metoodika on tõestanud end väärtusliku vahendina meid ümbritseva maailma mõistmisel ja pakub lahendusi mitmetes valdkondades [1]. Käesoleva referaadi eesmärk on tutvustada kaugseire mõistet, erinevaid kaugseire meetodeid ning nende rakendusi eelkõige ookeanide, merede ja järvede uuringutes.
1. Kaugseire mõiste
Kaugseire näol on tegu informatsiooni kogumise ja interpreteerimisega elektromagnetilise kiirguse abil [2], sealjuures pole mõõteaparatuurid uuritava objektiga füüsilises kontaktis . Lennukitelt ja satelliitidelt teostatud mõõtmised võimaldavad koguda andmeid ohtlikest ja halvasti ligipääsetevatest kohtadest . Satelliitide, lennukite, poide, laevade ja helikopterite abil koondatakse andmeid ja tehakse pilte, mille abi saab analüüsida parajasti erinevaid kaugseiret rakendava teadusharu huviorbiidis olevaid parameetreid. Orbiidil olevad platvormid koguvad ja edastavad andmeid elektromagnetkiirguse spektri eri osadest, mis võimaldab teadlastel uurida suuremõõtmelisi süsteeme. Kujutise ruumilise lahutusvõime ja tundlikkuse suurendamiseks on kasutusele võetud digitaalse salvestusega skaneerivad seadmed, mis jaotuvad passiivseteks ja aktiivseteks sensoriteks. Merepinna mõõtmiseks sobivad skaneerivad raadiomeetrid said kosmoses kasutamiseks tehniliselt kõlbulikuks alles 1972. aastal, mil neid rakendati esmakordselt satelliidi LANDSAT pardal. Kogutud infot saab kasutada kaartide koostamiseks, andmete analüüsiks või pikaajaliste kui ka operatiivsete prognooside teostamiseks.
1.1 Passiivsed seadmed
Passiivsete meetodite tööks vajaliku kiirguse näol on tegu maapinnalt, atmosfäärist või ookeanist tagasi peegeldunud päikesevalgusega. Passiivsed andurid on kasutusel näiteks fotograafias, laengsidestusseadistes ja radiomeetrites ning infrapunakiirguse mõõtevahendites. Kuna värvuse järgi on võimalik eristada erinevaid aineid ja materjale, tuleb kasuks registreerida võimalikult paljude erinevate spektrivahemike sensorini jõudnud signaali tugevust. Spektrivahemike arvu järgi eristatakse monokromaatilisi, multispektraalseid ja hüperspektraalseid sensoreid . Kanalite arvu kasvuga kahaneb aga ka paraku ühte kanalisse jõudev kiirgusenergia , mille kompenseerimiseks tuleb suurendada piksli mõõtmeid ehk vähendada resolutsiooni. Näiteks ühe kõrgeima lahutusvõimega satelliidil IKONOS monokromaatilise režiimi suurus on 1 m, multispektraalses režiimis aga 4 m. Päikeselt pärineva ja maalt peegeldatud kiirguse kõrval mõõdetakse ka Maa süsteemist pärinevat pikalainelist kiirgust. Maalt emiteeritud soojuskiirguse mõõtmisel on määravaks Plancki seadus absoluutse musta keha kiirgusvõimsuse kohta ja Wieni nihke seadus, mille kohaselt on kõrgema temperatuuri korral kiirgusvõimsus suurem ja kiirgus-spektri tipu lainepikkus lühem. Päikesekiirguse spektri tipp on kõrge temperatuuri tõttu lainepikkusel 0.5 μm, ent Maa poolt emiteeruv infrapuna kiirgus tipneb 10 μm juures [3].
1.2 Aktiivsed seadmed
Aktiivsete seadmete korral kiirgavad seadeldised ise kiirgust ning võtavad selle ka vastu.
Võib luua analooge radariga: kosmoses asuv seade paiskab välja mikrolainete voo ning registreerib tagasipeegeldunud signaali, kusjuures on võimalik varieerida kiiratavate impulsside arvu, kestust, polarisatsiooni, kiire laiust, sagedust, ning langemisnurka. Lainepikkusi on võimalik valida nõnda, et need muudavad segavad faktorid nagu pilved ja udu läbipaistvateks. Aktiivsed kaugseire meetodid on näiteks Radar ja LIDAR, mis võimaldavad tänu kiirgamise ja kiirguse tagasi jõudmise vahelise ajahulga arvestamisele hankida teavet objekti asukoha, kõrguse, kiiruse ja suuna kohta. Veepinna kõrgust mõõdab altimeetria ning sagedust skatteromeetria. Huviorbiidis on veetaseme kõrguste hälbed tasakaaluasendist, mis võimadavad pinnahoovuste, Rossby lainete, sünoptiliste keeriste ja teiste dünaamiliste nähtuste määramist, kuna veetaseme ja selle poolt tekitatud rõhu gradient ning voolukiirus on geostroofilises seoses [4]. Skatteromeetria tuumikpõhimõtte kohaselt peegeldub radari signaal kareda vee või jää pinna tõttu tagasi intensiivsemalt. See meetod aitab määrata lisaks meretuule kiirusele, jääkattele ja lainetusele ka naftareostuse piirkonda, mille kohal on lainetus maha surutud.
1.3 Kaugseire andmeid mõjutavad tegurid
Kaugseire andmeid mõjutavad välised tegurid. Optilist signaali mõjutavad eeskätt okeanograafilistes mõõtmistes atmosfääris hajunud kiirgus; müra, ehk veepinnalt peegelduv, häiriv päikesekiirgus; veest tagasituleva kiirguse transformeerumine, neeldumine ja hajumine atmosfääris. Veest tagasitulevat signaali mõjutab otsese ja hajunud kiirguse edasine hajumine vee molekulides kui ka vees lahustunud ning hõljuvates ainetes.
2. Uurimisobjektid
Kaugseirele leiab ookeanide ja rannikumerede uurimises laialdasi rakendusi. Teostatakse veekogude seisundit määravaid ja rannajoonte muutusi puudutavaid monitooringuid, jälgitakse setete transporti, kaardistatakse ranniku tunnuseid, hoidmaks piirkonniti ära erosiooni ohtu. Mõõdetakse vee temperatuuri, lainete kõrgust, jäätumise taset ja jää liikumist. Globaalsel tasandil vaadeldakse ka ookeanide tsirkulatsiooni ning hoovuste süsteemi. Saadud andmeid kasutatakse ookeanide ning merede paremaks mõistmiseks kui ka mereliste maavarade paremaks majandamiseks.
Rannikumere kaugsire on Eestis riikliku seireprogrammi osa alates 2005. aastast [5]. Selle põhieesmärk on välja töötada meetodeid vee omaduste hindamiseks. Selle hulka kuuluvad fütoplanktoni, hõljumi ja kollase aine hulga määramine ning vee läbipaistvuse hindamine Läänemeres ja järvedes. Kaugseiret rakendatakse põhjataimestiku katvuse ja selle liigilise koosseisu kaardistamiseks madalates rannavetes, potentsiaalselt toksiliste tsüanobakterite õitsengute tuvastamiseks ja seiramiseks. Rannikumere seire tulemuste põhjal analüüsitakse lühi- ja pikaajalisi muutusi rannikumeres.
2.1. Klorofülli, heljumi ja kollase aine kaugseire
Läänemeres on aastakümneid olnud probleemiks eutrofeerumine ehk toitainetega rikastumine ja vetikate liigvohamine. Veepinnalt tagasipeegeldunud elektromagnetkiirguse värvus on aga tihedalt seotud vetikate klorofülli sisaldusega. Hüperspektraalse sensori HYPERION mõõteandmete põhjal ilmneb tõsiasi, et sinivetikate vohamise ajal varieerub klorofülli konsentratsioon sensorite 1 x 1 km piksli sees märgatavalt. Laevadele lähedal paiknev pinnavesi on läbi segatud ning veeproovidesse sattuv vetikate konsentratsioon on laevateedest eemal olevatest vetest oluliselt madalam. Kaugseire spektraalsete kanalite andmetest oleks tarvilik luua bio- optilised mudelid, mis aitaksid paremini määrata klorofülli, primaarproduktsiooni, heljumi ja hõljuva orgaanika sisaldust. Kuna Läänemeri on elustiku ja sissevoolu kohapealt üsna unikaalne , pole tihtipeale võimalik kasutada teiste piirkondade algoritme ning sageli tuleb luua lokaalseid kaugseire rakendusi. Näiteks on ühes ja samas ajahetkes ning Läänemere piirkonnas aset leidnud sinivetikate vohamise mõõtmistel, milleks rakendati erinevaid satelliitsensoreid (Hyperion, SeaWiFS, Modis/Aqua ja MERIS) ilmnenud mõõtmistulemustes olulisi erinevusi.
Lisaks klorofüllile mõjutab veepinnalt tagasipeegelduva valguskiirguse värvi ka näiteks merepõhjast üles tõstetud hõljuv sete ehk heljum , mis on eristatav pruunide värvitoonidena. Sensorit MODIS on näiteks siinsete sadamate süvendustööde käigus rakendatud heljumi leviku määramiseks. Heljumi levik paotab valgust süvendustöödega kaasnevate keskkonnamõjude ulatusele, ent paiguti võib lainetuse tekitatud heljum olla süvendustööde omast domineerivam. Lisaks eelmainitutele on oluliseks merevee karakteristikuks, eriti süsinikuringe seisukohalt, ka jõgede poolt sissekantav nn kollane aine ehk huumusaineid sisaldav lahustunud orgaaniline aine, mis põhjustab võrreldes Põhjamerega Läänemeres jõevete osakaalu suuruse tõttu kõrgemaid fooniväärtusi. Põhjataimestik on veekeskkonna ökoloogilise seisundi indikaator ning muutused põhjakoosluste ruumilises levikus ning liigilises koosseisus aitavad hinnata rannikumere keskkonna seisundit. Senini on põhjataimestikku Läänemeres kaardistatud sukeldumismeetodil, mis on aga suhteliselt kallis, aeganõudev ning uuritava ala suurus on väga väike võrreldes Eesti rannikuvete kogupindalaga. Kaugseiremeetod võimaldaks kaardistada laialdasemaid alasid võrreldes sukeldumismeetodiga. Suure põhjataimestiku varieeruvuse tõttu on Eesti rannikumere põhjatüüpide kaardistamisel eelistatumad suure ruumilise lahutusvõimega sensorid . Kuna selliste satelliitide spektraalne lahutus ei ole mitmete oluliste põhjatüüpide eristamiseks piisav, siis võib järeldada, et optimaalseim riist põhjataimestiku ulatuse ja tüübi ning vee sügavuse kaardistamiseks Eesti rannavetes on lennuvahendil paiknev suure ruumilise ja spektraalse lahutusvõimega spektromeeter [6].
2.2. Pinnakihi temperatuuri määramine
Üsna tõhusalt määratakse kaugseire abil ka vee pinnakihi temperatuuri. Seda uuritakse infrapunases piirkonnas mõõdetud signaali järgi. Siinjuures mõjutab tulemust oluliselt atmosfääris sisalduv veeaur. Et veeauru mõju vähendada, arvutatakse temperatuur vee pinnakihis kahe spektrikanali suhtena. Saadud tulemusi saab edukalt rakendada mereuuringutes, näiteks selgitades hoovuste liikumist, aga ka kalade arengut ja toitumistingimusi määratledes. Samuti annab vee pinnakihi temperatuur teavet nii merel oleva ilma kui ka atmosfääri dünaamika ning ilmastiku kohta laiemalt. Ookeanides ulatub temperatuuri märgatavate muutustega kiht mitmesaja meetri sügavusele. Veesamba soojushulga muutused sõltuvad muu hugas El Nino, Atlandi termohaiinse ümberpöörava tsirkuatsiooni ning teiste nähtuste faasist ja tugevusest, mille tagajärjeks on muutused El Nino lõunaostsillatsiooni, Põhja- Atandi ostsillatsiooni ja teistes klimaatilistes indeksites. Veepinna temperatuuri kaugseire andmeid selliste hinnangute tegemiseks kasutatakse, kuid suure ettevaatusega, sest ülakihi temperatuur ei tarvitse olla heas korrelatiivses seoses kogu veesamba omaga . Ookeanide soojenemise tõestamiseks kasutatakse eelkõige XBT-sondide andmeid, mis mõõdavad temperatuuri vähemalt 0.7 km sügavuseni. AVHRR ja MetOp sensorite digitaalkaartideks töödeldud andmeid analüüsides selgus 1990-2008 aastal läbiviidud uuringus, et Läänemere veepinna temperatuur tõuseb.
2.3. Järvede seire
Meie arvukad siseveekogud, nagu näiteks järved, mida on umbes 1450 , vajavad jälgimist ja hoolt. Euroopa Liidu veepoliitika raamdirektiiv [7] sätestab vajaduse jälgida veekogusid, mis on suuremad kui 0.5 km ning teha kindlaks nende ökoloogiline seisund olenevalt tüübi-spetsiifilistest algtingimustest. Seisundi hindamisel lähtutakse peamiselt bioloogilistest kvaliteedinäitajatest. Suuremate järvede puhul on kasutatav satelliitkaugseire, aga väiksemate järvede puhul peab kasutama lennuvahendil paiknevaid kaugseire sensoreid. Vetikaõitsengute seiret suuremates järvedes on võimalik teostada operatiivselt. Samas näiteks kalda- ja põhjataimestikuga kaetud alade muutuste jälgimiseks piisab kord aastas kogutavast informatsioonist. Teatud maismaa uurimiseks konstrueeritud satelliitide rakendamisel oleks võimalik järvede puhul jälgida ka teatud parameetrite pikaajalisi muutusi, näiteks roostike levikut, fütoplanktoni hulka, ning rannajoonte muutusi.
3. Vahendid ja meetodid
Platvorm on alus või kandur, millele seireaparatuur on monteeritud. Põhilised platvormid ülalt alla seiramiseks on lennuk ja satelliit. Lisaks sellele kasutatakse vähesel määral torne, õhupalle, mudellennukeid ja tuulelohesid. Juhitav liikumine on oluline eelis platvormi valikul enamiku kaugseireülesannete puhul. Kuna kõrgemalt vaadates on korraga nähtav ala suurem ja detailsus vastavalt väiksem, siis sõltub platvormi valik suuresti sellest, mida ja kui detailselt seirata. Lennuki ja helikopter pealt toimuvat kaugseiret iseloomustab võimalus kanda mõnekümmend kilo kuni mitu tonni kaaluvat aparatuuri, lennata madalal kui ka mitmekümne kilomeetri kõrgusel, varieerida lennukiirust nullist kuni mitmesaja meetrini sekundis ning paindlikkus lennumarsruudi ja lennuaja valimisel. Siiski on atmoosfäärilennul tehtava kaugseire puhul ka omad puudused. Lennu kestus on lühike, mistõttu on raske saada pidevat pikaajalist vaatlusriba. Võrreldes kosmoseseirega on geograafiline ulatus väiksem. Atmosfääri liikumise tõttu on keeruline määrata täpset asukohta ja asendit.
3.1. GPS - Üleilmse asukohamääramise süsteem
Sensori täpse asukoha saab määrata kasutades globaalset positsioneerimissüsteemi (Gobal Positioning System, GPS) või kontrollpunkte maapinnal, sageli omavahel kombineerituna. Kontrollpunktid võivad olla kas hästi identifitseerivad objektid maapinnal või spetsiaalselt maastikule paigutatud esemed. Atmosfääri turbulentsist tingitud lennuki kõikumine kõigis kolmes tasapinnas põhjustavab moonutusi pildi kujus võrreldes ideaalse horisontaallennuga. Kaasaegseis seiresüsteemides detekteeritakse neid kõrvalekaldeid ja vähemalt osaliselt korrigeeritakse arvutuslikult.
GPSi ehk Ülemaailmset Asukohamääramise Süsteem arenes välja raadiolokatsioonist. Tegu on universaalse, kõikjal kättesaadava ent keeruka tehnoloogiaga. GPSi komponendid on kosmosesegment (mille alla kuulub 24 satelliiti), kontrollsegment (jälgimisjaam, peamine kontrollkeskus, maapeased antennid ) ning kasutajasegmendi osad. Kosmosesegment asub maapinnast 20 000 km kõrgusel ning selle tiirlemisperiood on 12 tundi. Pardal on ülitäpsed aatomkellad ning nii militaar - kui üldakasutatavad saatjad. Kontrollsegment koosneb püsikontrolljaamast, alternatiivsest püsikontrolljaamast ja erinevatesse kohtadesse paigaldatud antennidest ning ekraanijaamadest. Erinevatesse maailma otstesse paigaldatud antennid sünkroniseerivad üksteise aatomkellasid nanosekundi täpsuseni. Selleks kasutatakse maapealseid keskusi, kosmosest tulevat ilma infot ja paljusid teisi lähteandmeid. Kasutajasegmendid võtavad vastu satelliitidelt saadetava info, ja arvutavad selle alusel oma asukoha. GPS võimaldab siduda andmeid konkreetse asukohaga ruumiandmebaasis – GIS.
Lisaks saab seadmeid ja masinaid jälgida reaalajas ning salvestada nende teekonda ja huvipakkuvaid parameetreid.
3.2. Satelliidid
Satelliidilt tehtava seire ruumiline ulatus on palju suurem kui lennukilt ja keskkonna mõjud palju väiksemad (hõredad gaasid, päikesetuul), kuid lennutrajektoor on rangelt kindlaks määratud. Lennu ajal saab seda korrigeerida vaid väikeses ulatuses, sõltuvalt sellest, kui palju on selleks kütust. Maalähedane orbiit on ligikaudu ringikujuline ja maapinnast umbes 500-2000 kilomeetri kaugusel. Kõige odavam on satelliit viia ekvatoriaalsele orbiidile, kuid sellisel juhul on satelliidi nägemiskaugus piiratud. Kui satelliit viia polaarsele orbiidile siis iga umbes pooleteisttunnist tiiru on Maa pöörlemise tõtu aluspind vahetunud ja satelliit skaneerib uut ala. Enamik Maa pinna seiramiseks mõeldud satelliite liiguvad lähispolaarsetel orbiitidel . Väiksema lahutusvõimega, kuid suurema nägemiskaugusega geostatsionaarne orbiit, kaugusega 42 170 km Maa keskpunktist, on teine rohkesti kasutatav orbiit seiresatelliitide jaoks. Teoreetiline vaatevälja poollaius Maa kumerust arvestades on 81°, kvantitatiivseks analüüsiks kõlblik on 55° ja kvalitatiivseks 65°. Nagu eelnevast nähtub, on Eesti vaatluskõlbuliku ala piiril (põhjalaius 57–59°). Suureks eeliseks on see, et mitme satelliidi olemasolul geostatsionaarsel orbiidil saab jälgida suuremat osa Maast pidevalt, mis on väga oluline suhteliselt kiirete meteoroloogiliste protsesside vaatlemisel. Kahjuks ei saa geostatsionaarsel orbiidil tiirleva satelliidi abil jälgida polaaralasid . Üks võimalus seda puudust kompenseerida on nn Molnia orbiit. Molnia puhul on Maast kaugeim punkt 42 000 km kaugusel Maa keskmest ja lähim punkt 6900 km kaugusel. Selline satelliit veedab suurema osa ajast kaugeima punkti lähedal ja tema nurkkiirus valitud suurel laiuskraadil asuva punkti suhtes on sel ajal väike. Pideva kvaliteetse vaatlusrea saamiseks piisab kolmest niisugusest satelliidist. Siiani pole sellist orbiiti kaugseires kasutatud, kuid potentsiaali oleks.
3.3. Detektorid
Optilise kiirguse detektorid jagunevad fotograafilisteks ja elektro-optilisteks, mis omakorda jaotatakse lainepikkuse diapasooni järgi nähtava ja lähis-infrapuna kiirguse ehk VIR detektoriteks ja soojusliku infrapuna ehk TIR detektoriteks. Viimase kahe füüsikalised printsiibid osaliselt kattuvad. Fotograafilist meetodit kasutatakse peamiselt seireks lennukilt, sest fotomaterjali ilmutamiseks on vaja tuua see laborisse. Tüüpiline aerofotoaparaat kasutab filmi laiusega 230 mm ja ruumilise lahutusega u. 50 punkti millimeetril, filmirullis on tavaliselt kuni 1000 kaadrit. Tavaline nn. Pankromaatiline film on tundlik valgusele lainepikkusega alla 720 nm. Alumise piiri seab lääts, mis tavalise klaasi korral laseb läbi valgust alates 350 nm ja kvartsklaasi korra alates 300 nm. Lähis-infrapuna kiirguse jaoks saab filmi ülemise tundlikkuspiiri tõsta 900 nanomeetrini. Kasutatakse mustvalgeid filme, värvifilme ja valevärvides filme infrapunakiirguse jaoks. Fotokordisti on väga tundlik kiiretoimeline mõõteriist. Tema puudused on tundlikkus mehhaanilistele vigastustele, suured mõõtmed ja kõrge tööpinge. Fotodiood on diood , millele rakendatud pinge toimel tekib vooluimpulss kui selles neeldub footon . Pidev valgus annab tulemuseks pideva voolu, mis sõltub valguse intensiivsusest. Fotodiood on fotokordistist väiksemate mõõtmetega, põrutuskindlam ja madalama tööpingega, seega kaugseires kõlblikum. Kujutise saamiseks tuleb moodustada maatriks üksikutest valgustundikest elementidest või skaneerida ühe elemendiga üle vaatevälja. Maatriksi moodustamiseks kasutatakse enim CCD vastuvõtjaid, mis on fotodioodist kompaktsemad. See on pooljuhtseade , mis koosneb paljudest ühesugustest elementidest järjestikühendustest. Igas elemendis tekkivad valguse toimel laengud, mis säilivad. Laenguid saab sobiva pingevalikuga liigutada ühest elemendist teise kuni ahela otsani, kus need arvestatakse. Termiline infrapuna piirkond on lainepikkus vahemikus 3 – 15 mm, millele vastavad footoni energiad 0.1-0.4 eV. Et sensori enda tekitatud soojuslikud footonid ei varjutaks signaali, tuleb see jahutada vedela lämmastiku või vedela heeliumi temperatuurini. TIR-sensorites kasutatakse ka termistorbolomeetri põhimõtet – see on pooljuht , mille takistus sõltub temperatuurist, mida mõjutab pealelangev infrapunakiirgus . Kui on vaja mõõta kiirgust lainepikkusega üle 15 mm, siis kasutatakse termopaari.
Kujutamise saamiseks salvestatakse kahemõõtmelise maatriksi korral kogu kujutis eelistatult korraga. Kui aga elemendid ei reageeri küllalt kiiresti võrreldes seireplatvormi liikumiskiirusega, siis seadistatakse moonutuste vältimiseks detektor jälgima teatud ajal kindlat maastikut mille järel kaader vahetatakse. Ühemõõtmelise detektori korral peab liikuv süsteem skaneerima üle vaatevälja laiuse . Nullmõõtmelise detektori puhul aga üle nii laiuse kui pikkuse. Tavaliselt saavutatakse see võnkuva või pöörleva peegli abi, mis skaneerib hetkelist vaatevälja. VIR-piirkonnas on põhiliseks rakenduseks üleujutuste, lume ja jää, ning madalamate veekogude sügavuse kaardistamine. Meie fütoplanktoni hulka saab mõõta valguse peegeldumise põhjal klorofülli neeldumisribas 500 – 600 nm juures. TIR-piirkonnas saadud kujutistelt saab määrata veepinna soojust. Objekti heleduse kujundavad objekti temperatuur, kiirgusvõime ja muutused kiirguses atmosfääri läbimisel. Merepinda saab TIR-piltidelt määrata otseselt, sest vee kiirgavus on püsiv ja hästi teada. Teatav probleem on moonutus atmosfääri läbimisel. Tuleb ka silmas pidada, et kuna soojuslik infrapunakiirgus neeldub kõigest 0.02-millimeetrises veekihis, siis ei ole nii mõõdetud temperatuur sama, mis termomeetriga kasvõi mõnesentimeetrisest pinnakihist mõõdetu. Põhjuseks on kiirguslik soojenemeine ja jahtumine aurumise tõttu.
Maa soojuskiirguse energiamaksimum on soojuslikus infrapunases piirkonnas, kuid energiat on mõõdetaval hulgal ka veel mikrolainepiirkonnas. Passiivse mikrolaineradiomeeter on mõõteriist, mis mõõdab kiirgust selles spektrivahemikus (0.3 – 6 cm) Sellise kiirguse footonite energia on vaid mõni meV, mistõttu nad ei tekita elektron-auk paare pooljuhtides. Neid saab detekteerida metallist antenniga, milles hakkavad vahelduvvälja mõjul liikuma vabad elektronid. Antenn on tavaliselt paraboolse kujuga, mis koondab pealelangevad paralleelsed kiired vastuvõtjasse. Põhimõttelise piirangu radiomeetri ruumilisele lahutusvõimele seab antenni suurus. Väikseim eristatav pildiosa lainete difraktsiooni tõttu on võrdeline lainepikkuse ja antenni läbimõõdu jagatisega. Mikrolaineradiomeetri tundlikkus kiirgusele sõltub temperatuurist. Kui kiirguse allikas ja vastuvõtja on samal temperatuuril, siis antenni omamüra on signaalist tugevam ja detekteerimine peaaegu võimatu. Signaali-müra suhet saab parandada ajalise keskmistamisega. Passiivse mikrolaineradiomeetria põhiline rakendus on merepinna temperatuuri määramine. Erinevalt soojuslikust infrapunakiirgusest neeldub mikrolainekiirgus alles umbes 1 cm paksuses vee pinnakihis. See võimaldab määrata tõelist veetemperatuuri pinnakihist täpsusega umbes 1K. Teiseks saab mõõta veepinna karedust ehk lainekõrgust kiirguse polarisatsiooni põhjal. Karedusest omakorda saab hinnata tuule tugevust, mille mõõtmise täpsus sellel meetodil on umbes 2 m/s. Kuna jää kiirgamisvõime sagedustel alla 30 GHz on palju suurem kui vee oma, siis saab heleduse järgi mikrolainealas eristada jääd ja vaba vett kui ka eri vanusega merejääd.
3.4. Radar ja LIDAR
Radar on kaugseire mõõteriist, mis kasutab kiiratud raadiolainete tagasipeegeldumist uuritavalt objektilt. Praktikas kasutatavad radarid on enamasti monostaatilised - raadiolainete saatja on ühtasi ka vastuvõtja (bistaatilise korral on saatja ja vastuvõtja eraldi). Kiirguse võimsust Pr, mille radar pindalalt A vastu võtab, kirjeldab radarivõrrand:
kus Pt on radari võimsus, R objekti kaugus radari antennist, λ kiirguse lainepikkus ja η antenni efektiivsus ehk sisuliselt kasutegur, mis on antenni oomilise takistuse tõttu ühest väiksem. D on antenni suunatus, mis näitab, kui palju kordi on kiirguse võimsustihedus tugevaima kiirguse suunas suurem kui keskmiselt üle sfääri. σ on tagasihajumiskoefitsent:
kus E on pealelangeva ja L peegeldunud kiirguse energeetiline heledus ja θ kiirguse langemise seniitnurk. Suurus, mis kannab endas informatsiooni aluspinna kohta on L, mis üldjuhul sõltub nii kiirguse langemise seniitnurgast θ kui ka asimuutnurgast φ. Saab eristada σ kiirguse erinevate polarisatsioonitasandite jaoks, mis annab täiendavat informatsiooni objekti kohta. Mikrolaineskateromeetria on meetod σ määramiseks, mis ei eelda signaali põhjal kujutise loomist. Varieerides seniitnurka θ ja uurides σ sõltuvust, saame rohkem teavet aluspinna omaduste kohta. Seda saab teha platvormi liikumisel uuritava piirkonna jälgimisel eri seniitnurkade alt, eri nurkade alt peegelduva kiirguse doppleri nihke erinevuse järgi ja ala skaneerimisel eri suundades saadetavate kiirgusimpulsside abil.
Lidar on valguskiire tagasipeegeldumisel põhinev aktiivse kaugseire meetod, seega radari optiline analoog . Laseraltimeetria on lidari lihtsaim rakendus. Ülal paiknev laser saadab lühikesi valgusimpulsse alla, mis peegelduvad maapinnalt. Peegeldumise aja ja valguse kiiruse järgi saab leida pinna kauguse seireplatvormist. Seireplatvormi liikumisel registreerib lidar aluspinna profiili. Lidari suurim eelis radari ees on väga peen kiir, mis võimaldab väga suurt ruumilist täpsust aluspinnal [8].
3.5. Andmete töötlus ja mudeliteks integreerimine
Andmete kogumisele järgneb nende töötlemine, mis on omamoodi kunst (selle põhjalik käsitlus ei mahu käesoleva referaadi mastaapi). Okeanograafias ei piisa tervikpildi sünteesimisest sõnalise kirjelduse abil, vaid praktiliste kasutuste jaoks on tarvis toota võimalikult kvaliteetseid andmeprodukte. Valmis kaartide ja graafikute asemel hakkavad üha rohkem levima numbrilised produktid, sealhulgas horisontaalkoordinaatide, sügavuse/kõrguse ja aja järgi diskretiseeritud andmed, mille saamise metoodika peab olema kirjeldatud ja täpsus kontrollitud. Satelliitidelt määratavad andmed esitatakse enamasti just digitaalsetes formaatides, kust iga kasutaja saab endale vajalikud töötlused teha.
Kaugseire andmete puuduseks on vertikaalse mõõte puudumine. Veepinnal nähaolevad mustrid sõltuvad olulisel määral sellest, mis toimub sügavamates veekihtides. Andmete täiustamiseks on tarvis kaugseire andmed ning erinevatelt vaatlusplatvormidelt mõõdetavad in situ vaatlusandmed integreerida andmeid assimileerivatesse mudelitesse. Sellised integreeritud observatooriumid leiavad üha rohkem tähelepanu ja finantseerimist. Näiteks Eesti teadustaristu teekaardi raames käivitati mahukas investeerimisprojekt „Eesti Keskkonnaobservatoorium”, kus Urmas Lips Tallinna Tehnikaülikooli Meresüsteemide Instituudist koordineerib Keri saare lähedale sügava mere uuringute automaatjaama väljaehitamist ning Georg Martin Tartu Ülikooli Eesti Mereinstituudist koordineerib rannikumere välibaasi kaasajastamist Kõigustes [9]. Euroopas on mereseisundi vaatluste ja prognooside arendamisel alates 2009. aastast käimas suuremahuline projekt MyOcean, mille on ellu kutsunud Euroopa Liidu Kosmoseprogrammi algatus COPERNICUS . Kolm komponenti – kaugseire, in situ vaatlused ja mudelid – on sealgi esindatud suhteliselt võrdse kaaluga. Eesti teadlased on aktiivsed nii MyOcean liinis kui ka laiemalt.
Kasutatud kirjandus
[1]
Peterson, U., Eerme K., Lang M., Nilson T., Kuusk A., Väljataga K. (2014) „Kaugseire koht ja tähendus loodusandmete kogumises ning andmetöötluses.” Kaugseire Eestis 2014, lk 8
[2]
(2012) Keskkonnauuringu meetodid 12 Kättesaadav:
http://euroakadeemia.ee/materjalid/KU-meetodid-12.pdf
[3]
Elken J. (2013) „Kosmosest merele vaadates ehk mida sealt on näha ja mis on peidetud.” Horisont nr 3, 1967 – 2015.
[4]
Ibid
[5]
Kutser T. (2011) „Riikliku keskkonnaseire mereseire allprogrammi rannikumere kaugseire alaprogrammi aruanne 2011”, TÜ Eesti Mereinstituut.
[6]
Vahtmäe E., Kutser T., (2014) „Vee sügavuse ja merepõhja tüüpide kaardistamine optiliselt madalates rannavetes” Kaugseire Eestis 2014, lk 166 – 173.
[7]
( 2000) Euroopa Liidu veepoliitika raamdirektiiv, Kättesaadav:
http://www.envir.ee/sites/default/files/veepoliitika_raamdir32000l0060et.pdf
[8]
(2012) Keskkonnauuringu meetodid 13 Kättesaadav:
http://euroakadeemia.ee/materjalid/KU-meetodid-13.pdf
[9]
Elken J. (2013) „Kosmosest merele vaadates ehk mida sealt on näha ja mis on peidetud.” Horisont nr 3, 1967 – 2015.