MERIS (Medium Resolution Imaging Spectrometer)

Основной текст – Александра Черкашева

Технические характеристики
Подспутниковые эксперименты
Области океанологии, в которых может быть использована дистанционная информация, полученная с MERIS.
Температурный режим верхних слоев океана.
Управление рыбным хозяйством.
Управление прибрежными зонами.
Океанический цикл углерода.
Некоторые результаты использования данных MERIS
Литература и ссылки



Платформа Envisat (Enviromental satellite)
Год запуска 2002

Внешний вид  MERIS


Технические характеристики

Спектрометр с постоянным сканированием с широким углом обзора(68,5°) и шириной полосы в 1150км. Он измеряет отраженную Землей солнечную радиацию по 15 каналам с частотой от 412,5 нм до 900 нм. Уникальной чертой этого инструмента является то, что ширину спектральных каналов можно менять, подавая команды с Земли. Для достижения угла обзора в 68,5° пять одинаковых оптических отсеков расположены в определенной последовательности. Угол обзора у каждого отсека равен 14о. Большое преимущество MERIS состоит в том, что он получает информацию одновременно вдоль и поперек движения спутника.

Охват всей поверхности Земли осуществляется MERIS за 3 дня. Угол обзора каждого пикселя составляет 0.019°. Благодаря широкому углу обзора всего инструмента (68,5о), пространственный отбор образцов поперек движения спутника колеблется в пределах от 0,26км в надире до 0,39км по краям полос. Отбор образцов вдоль движения спутника приближается к 0,29 км.[6]

Характеристика 15 каналов MERIS.

Номер канала MERIS Длина волны ± ширина канала (нм) Применение
1 412.5 ± 10 Желтое вещество и пигменты детрита
2 442.5 ± 10 Максимум поглощение хлорофилла
3 490 ± 10 Хлорофилл и другие пигменты
4 510 ± 10 Взвешенное вещество, красные приливы
5 560 ± 10 Минимум поглощения хлорофилла
6 620± 10 Взвешенное вещество
7 665± 10 Поглощение хлорофилла и флуоресценция (fluorescence reference).
8 681.25 ± 7.5 Максимум флуоресценция хлорофилла
9 708.75 ± 10 Флуоресценция (fluorescence reference), поправки на влияние атмосферы
10 753.75 ± 7.5 Растительность, облачность
11 760.625 ± 3.75 Поглощение кислорода
12 778.75 ± 15 Поправки на влияние атмосферы
13 865 ± 20 Растительность, водяной пар(water vapour reference)
14 885 ± 10 Поправки на влияние атмосферы
15 900 ± 10 Водяной пар, земная поверхность

MERIS является очень надежным оборудованием – по данным 10й международной конференции по спутниковым приборам, в 2005 году, после трех лет работы в космосе, износ оборудования составлял меньше 3%.[9]

Центр приема данных с MERIS находится в городе Нойстрелитц (Neustrelitz), Германия. На официальном сайте этого центра находятся данные с MERIS за 2002–2007 гг в форматах jpg, tif и txt.

Подспутниковые эксперименты

Чтобы верифицировать данные MERIS на Земле проводят подспутниковые эксперименты, которые заключаются в том, что характеристики какого-то определенного параметра со снимков MERIS сверяются с данными, полученными в ходе экспедиций по нескольким станциям (данные in situ).

Примером эксперимента, в котором используются снимки MERIS, может служить программа REVAMP (REgional VАlidation of Meris сhlorophyll Products in the North Sea). Эта программа проводилась с 1 февраля 2002 по 31 января 2005. Основной ее задачей было наблюдение за эфтрофикацией Северного моря. Также ставилась задача проследить за эффектами уменьшения количества биогенов путем определения главного био-геофизического параметра (концентрация хлорофилла-а), используя снимки MERIS. Алгоритм работы этой программы следующий: по данным MERIS вычисляется концентрация хлорофилла-а, по этой концентрации исследуется количество фитопланктона и других взвешенных веществ органического происхождения, затем эти данные вновь наносятся на снимки, в изображения вносят картографические улучшения, делая их более наглядными. Результатами проделанной работы становятся атласы, веб сайты и анимации.[13]

Не смотря на то, что MERIS является суперсовременным спутниковым оборудованием, до сих пор ведутся работы по его усовершенствованию. В 2003 году для вычисления оптимального числа спектральных каналов были проведены специальные исследования: результаты дистанционных измерений спектра яркости океана в сочетании с приемами техники оптимизации применены для получения характеристик водной толщи в глубоководных частях океана и на мелководье. Измерения проводились в спектральном интервале 400–800 нм. При этом для решения обратной задачи использовались данные спектральных каналов с широтами примыкающих друг к другу полос 5, 10 и 20 нм, а также данные со спутникового сканеров цвета MERIS и MODIS. Непосредственной целью исследования было выяснить зависимость точности восстановления характеристик воды от спектрального разрешения и расположения каналов по спектру. Общее заключение: число спектральных каналов порядка 15ти, охватывающих интервал 400–800 нм, является достаточным для большинства задач.[4]

Области океанологии, в которых может быть использована дистанционная информация, полученная с MERIS

На основании всего вышеизложенного, можно выделить четыре обширных области океанологии, в которых может использована дистанционная информация, полученная с МERIS[6]:

1. Температурный режим верхних слоев океана.

Съемка со спутников открыла возможность единовременной глобальной фиксации температур поверхности океана, что невозможно судовыми или самолетными методами.

Установленный по спутниковым снимкам характер распределения температур воды в океане существенно отличается от прежних представлений о нем. В противоположность отображаемому картами изданных атласов океанов плавному изменению температур на поверхности океана наблюдается весьма сложная и контрастная картина, обусловленная струйными течениями и вихревыми образованиями. В прибрежных районах субтропических и тропических широт фиксируются фронты между теплыми океаническими водами и более холодными прибрежными. Характерным примером этого явления является восточное побережье Северной Америки – наблюдается фронт между прибрежным холодным Лабрадорским течением и теплым течением Гольфстрим.

Таким образом, помимо изучения собственно температур воды, тепловая инфракрасная съемка дает материал для исследования динамических процессов в океане, течений, океанических вихрей и фронтов, апвеллингов и других явлений.

Тепловая инфракрасная съемка является наиболее эффективным современным методом глобального изучения течений, воды которых обычно имеют температуры, отличные от температур окружающих акваторий. Перепад температуры в 2–10оС, наблюдаемый вдоль границ течений, вполне надежно фиксируется аппаратурой MERIS и позволяет исследовать эти границы в их динамике.
В значительной мере благодаря спутниковым наблюдениям в океанологии сделано одно из крупнейших за последнее время открытий – обнаружение повсеместно в Мировом океане, прежде представлявшемся вместилищем инертных, медленно перемещающихся водных масс, феномена «океанической погоды»[1], которая, как и в атмосфере, определяется в основном среднемасштабными вихревыми образованиями – океаническими циклонами и антициклонами.

Фиксация на тепловых инфракрасных снимках зон апвеллингов – подъема холодных донных вод – открыла возможность реального изучения этого явления по данным спутниковых наблюдений.

Необходимо отметить, что спутниковые методы не являются совершенными для определения температуры океана и самым надежным методом до сих пор остаются контактные измерения.[2]


2. Управление рыбным хозяйством.

Чтобы лучше осветить эту область применения MERIS, обратимся к снимкам. На снимке Envisat от 13 июля 2005 мы наблюдаем летнее увеличение количества фитопланктона в Балтийском море.

Это явление часто отмечается в Балтийском море в это время года из-за благоприятных условий для развития фитопланктона (теплая погода и воды, насыщенные биогенами). Расцвет фитопланктона на этом снимке протягивается примерно на 200 километров, охватывая побережья Литвы, Латвии, Швеции и окружая шведские острова Готланд и Ёланд. Контроль за такими вспышками активности фитопланктона в Балтийском море обычно осуществляется Экологическим Институтом SYKE (Хельсинки, Финляндия).

Перемещаясь в воде свободно, фитопланктон чувствителен не только к солнечному свету, но также и к местным экологическим изменениям (температура, ветры, морские течения). Именно поэтому наблюдение за состоянием фитопланктона является столь важной миссией спутника Envisat и MERIS в частности – эти наблюдения могут послужить оценкой экологических условий района в целом. Благоприятные условия приводят к сконцентрированным ‘расцветам’ как тот, который представлен на рисунке.

Также контроль за развитием фитопланктона важен из-за того, что его концентрация служит индикатором скопления промысловых видов рыб.
Но если фитопланктон цветет слишком бурно, то это может привести к вымиранию всех морских организмов на местном уровне. Также некоторые разновидности фитопланктона являются ядовитыми для рыб и людей.

Таким образом, такие снимки MERISа являются крайне важными материалами для рыбных хозяйств, рыбоводческих ферм и министерств здравоохранения. [5]

3. Управление прибрежными зонами.

MERIS может фиксировать размыв берегов, следить за переносом взвешенного вещества и взвешенных наносов в устьевых областях, а также предупреждать о катастрофических явлениях, таких как красные приливы. Обычно водорослевое цветение сопровождается возрастанием численности зоопланктона, который, питаясь фитопланктоном, в определенной степени сдерживает рост его массы. Однако временами она увеличивается так быстро, что процесс выходит из-под контроля. Особенно часто это наблюдается при бурном размножении одного из видов динофлагеллат. Морская вода у побережья приобретает окраску и консистенцию томатного супа – отсюда и название «красный прилив». Главное же, что «цветущая» водоросль содержит токсин, опасный для многих рыб и моллюсков. Красные приливы на побережье Флорида, в Африке и других регионах приводили к гибели многих сотен тысяч этих животных.[14]

Вовремя поступившие спутниковые данные могут способствовать принятию мер по защите и охране животных и людей.


4. Океанический цикл углерода.

По данным снимков MERIS вычисляется концентрация фито- и зоопланктона, затем эти характеристики вводятся в модель, представленную на рисунке. Таким образом, мы получаем концентрацию фосфатов, взвешенного органического фосфора, растворенного органического фосфора, общего неорганического углерода, взвешенного органического углерода, растворенного органического углерода и можем проследить весь океанический цикл углерода.

Политика ESA такова, что самые новые снимки с MERIS с низким разрешением доступны в Интернете. Издаются специальные атласы со снимками их расшифровкой (Атлас концентрации хлорофилла-а, основанный на снимках MERIS 2003г), существуют целые программы, направленные на работу со снимками, сделанными MERISом. (Одной из таких программ является REVAMP)

Для контроля данных периодически проводятся подспутниковые эксперименты. Один из таких экспериментов проводился в 2004 году на океанографической платформе, расположенной в Черном море у южного побережья Крымского полуострова в районе поселка Кацивели. Результатом эксперимента стали данные о временной изменчивости биооптических параметров и их взаимосвязи. После количественного сопоставления с данными MERIS оказалось, что результаты рознятся не более чем на 5%, что является удовлетворительным.[3]

Подобный эксперимент по измерению содержания хлорофилла проводился в Африке Спутниковые данные и данные, полученные из образцов, сравнивали по семи станциям. Но из-за облачности удалось сопоставить значения только трех из семи станций. После сравнения данных с этих трех станций, была получена линейная зависимость.[8]


Некоторые результаты использования данных MERIS


Большой Барьерный Риф, снимок MERIS 19 августа 2004, разрешение – 300м.

На этом снимке изображен Большой Барьерный Риф у берегов Квиндслендского побережья Австралии. Этот коралловый риф является самым большим в мире, его 
протяженность составляет 2300км.

Благодаря этому снимку австралийские ученые выяснили, что MERIS может распознавать коралловое отбеливание до 10 метров в глубину. Это означает, что в скором времени появится еще одна область применения снимков MERIS – наблюдение за состоянием коралловых рифов.
Коралловое отбеливание происходит в случае, когда морские водоросли, живущие в симбиозе с коралловыми полипами, отмирают. В таком случае обесцвеченный коралл может умереть с последующими воздействиями на экосистему рифа, и, таким образом, повлиять на рыболовство и туризм. Коралловое отбеливание связано с летними температурами моря выше нормы и с аномальным солнечным излучением.

«Увеличение интенсивности кораллового отбеливания может быть одним из первых признаков глобального потепления,» заявляет доктор Арнольд Деккер из Australia’s Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation’s (CSIRO). «Нас беспокоит то, что коралловые рифы могут перейти критический порог отбеливания, после которого они уже не смогут восстановиться.»
До сегодняшнего момента наблюдения за коралловыми рифами были судовыми. Но судовые наблюдения не всегда удобны из-за огромной протяженности коралловых рифов.

Спутниковые измерения являются прекрасной альтернативой судовым наблюдениям, т.к. охватывают гораздо больший масштаб. На симпозиуме MERIS/AATSR в октябре 2005 года, который проходил в Frascati, Италия, команда CSIRO представила начальные результаты, используя снимки, сделанные MERIS. CSIRO утверждают, что такое явление, как отбеливание кораллов, должно быть нанесено на карты в глобальном масштабе. Спутниковая аппаратура с высоким расширением может следить лишь за несколькими рифами из-за большой стоимости снимков. Для правильной оценки состояния коралловых рифов необходимы снимки, покрывающие всю земную поверхность. И поэтому на данный момент нет другой аппаратуры, кроме MERIS, которая бы справилась с этой задачей.

Команда CSIRO проводила исследования на рифе Острова Heron в южном конце Большого Барьерного рифа. Сравнивая снимки, сделанные MERIS и измерения in situ, они пришли к выводу, что наблюдаемые изменения цвета кораллов совпадают в обоих случаях.[5]


Ураган Катрина, 28 августа 2005.

Следующий снимок – уникальное изображение урагана Катрина в Мексиканском заливе. Оптическое изображение (справа) показывает облака, закручивающиеся в характерную спираль. Сделанное в тот же момент радарное изображение (слева) проникает через облака, показывая, как ураганные ветры Катрины мчатся по поверхности океана со скоростью 250 км/ч.
Эти снимки были сделаны 28 августа MERIS и ASAR (Advanced Synthetic Aperture Radar Envisat). В момент снимка ураган Катрина достиг максимального количества баллов по шкале Саффира-Симпсона – пяти.

Ураган Катрина образовался на Багамах в середине августа, обрушился на южную Флориду 25 августа. В зону поражения урагана «Катрина» попали штат Луизиана, юг и центр Миссисипи, юг Алабамы, запад Джорджии и запад и юг Флориды. Число жертв урагана достигло 1069 человек.[15]
Тот факт, что на спутнике Envisat находится как оптическая (MERIS), так и радарная (ASAR) аппаратура, позволяет ученым одновременно исследовать облачность, давление в видимом и инфракрасном диапазоне и, в то же время, измерять волнение на поверхности океана и, следовательно, наиболее точно определять структуру ураганов.[5]


Литература и ссылки

1. Ю.Ф.Книжников, В.И.Кравцова, О.В.Тутубалина «Аэрокосмические методы географических исследований». Москва, «Академия», 2004.

2. Б.В.Виноградов «Космические методы изучения природной среды». Москва, «Мысль», 1976.
3. Реферативный журнал, том география 12.2004, стр.10: Коротаев Г.К., Хоменко Г.А. «Международный подспутниковый эксперимент на океанографической платформе (пос. Кацивели)».

4. Реферативный журнал, том география 08.2003, стр.11: Ли Зонгпинг, Кардер Кендалл «Влияние числа спектральных каналов на восстановление оптических характеристик толщи воды и дна из измерений цвета океана» (Lee Zhongping, Carder Kandall «Effect of spectral band numbers on the retrieval of water column and bottom properties from ocean and colour data»).

5. Science daily: http://www.sciencedaily.com/releases/2005/08/050830071214.htm
http://www.sciencedaily.com/releases/2005/10/051006084258.htm
http://www.sciencedaily.com/releases/2005/10/051005075206.htm
http://www.sciencedaily.com/releases/2005/09/050926080347.htm

6. Official ESA site: http://envisat.esa.int/instruments/meris/
http://envisat.esa.int/dataproducts/meris/CNTR3.htm

7. Ocean colour: http://www.mumm.ac.be/OceanColour/Sensors/meris.php

8. MERIS user workshop: http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/DOCS/ScienceTeam/OCRT_Apr2004/aiken_ocrt04.pdf

9.10th IOCCG Committee Meeting: http://www.ioccg.org/sensors/meris/Rast_IOCCG.pdf

10. ESA bulletin: http://esapub.esrin.esa.it/bulletin/bullet103/besy103.pdf

11. Quicklooks of Full-resolution MERIS data: http://wdc.dlr.de/sensors/meris/quicklooks_NRT.html

12. Modeling in marine chemistry: http://www.fadr.msu.ru/mmc/polvar/polvar.html

13. REVAMP: http://www.brockmann-consult.de/revamp/

14. Энциклопедия кругосвет: http://www.krugosvet.ru/articles/03/1000324/1000324a3.htm#1000324-L-110

15.Lenta.ru?: http://www.lenta.ru/articles/2005/08/30/katrina/

Be the first to comment on "MERIS (Medium Resolution Imaging Spectrometer)"

Leave a comment

Your email address will not be published.


*