Métodos de Observação do Oceano

Transcrição

1 Faculadade d de Ciências i e Tecnologia Métodos de Observação do Oceano Curso de Ciências do Mar 2ºano, 1ºsemestre Observação remota do Oceano Paulo Relvas

2 O Início: 1957 União Soviética lança o primeiro satélite: Sputnik 1978 NASA lança 3 satélites de observação do oceano: TIROS-N com AVHRR para medir a temperatura t da superfície do oceano; Seasat com radar-altimeter para medir o nível do mar; scatterometer de micro-ondas e radiómetro SAR, ambos para medir a rugosidade do oceano; Nimbus-7 com sensor de cor do oceano.

3 Dois tipos de órbitas nos satélites de detecção remota Órbitas geoestacionárias: Durante o período orbital de um dia sideral (T=23.93 horas) o satélite viaja com a terra. Para que isto aconteça é necessário que r=42290 km, h=35910 km O satélite permanece sobre o equador Órbitas quase-polares: T é aproximadamente 100 min. h está entre os 700 e os 1000 km

4 O que vê um satélite em órbita geoestacionária

5 Cobertura do Planeta por uma órbita polar Trajectória descendentes diárias Trajectória ascendente entre 1 e 2 Primeira trajectória do dia seguinte

6 Órbita síncrona solar É um caso especial da órbita polar O plano da órbita tem um movimento de precessão em fase com o Sol Esta órbita requer dω/dt = graus/dia D f éli di l d l l l l i d Desta forma o satélite passa na perpendicular do local em qualquer latitude sempre à mesma hora solar local em cada dia, durante todo o ano

7 Intervalo de re-visita: impacto na resolução espacial Cada órbia repete-se aprox. cada 10 dias Espaçamento entre órbitas no equador 315 Km Cada órbia repete-se aprox. cada 3 dias Espaçamento entre órbitas no equador 800 Km

8 Utilização do espectro electromagnético

9 Transmissividade das ondas elecromagnéticas através da atmosfera Espectro de emissão para diferentes temperaturas A escolha das bandas para aplicação na detecção remota é ditada pela aplicação pretendida e pelo espectro de transmissão atmosférico. A gama 100 nm µm deve ser usada para observar características do oceano por reflecção da radiação solar incidente, tal como observamos com os olhos. A gama 3 40 µm deve ser usada para observar a emissão de radiação pela superfície do oceano. Contudo notemos que nem todas as partes destas gamas de valores podem ser usadas devido à transmissividade da atmosfera, como podemos ver pelo espectro de transmissão da atmosfera representado acima.

10 Em geral a gama 400 nm 1 µm é usada para medir na banda do visível e cerca dos 10 µm para medições no infravermelho. Acima de 10 nm há pouca absorção. Estas bandas são usadas por sensores activos de micro-ondas. Estes emitem radiação com a qual iluminam o alvo e depois observam a natureza do sinal reflectido, em contraste com os sensores passivos de infravermelhos e visível apenas observam a radiação natural. Os sensores passivos medem a radiação electromagnética natural incoerente. Os sensores activos iluminam o alvo (o Os sensores activos iluminam o alvo (o oceano) com radiação electromagnética que emitem. Por isso medem não só a amplitude mas também a fase do sinal reflectido e o seu tempo de retorno.

11 Sensores a bordo de satélites Passive sensors Wavelength Information Visible wavelength radiometers 400 nm - 1 µm Solar radiation reflected by Earth surface Infrared (IR) radiometers about 10 µm Thermal emission of the Earth Microwave radiometers mm Thermal emission of the Earth in the microwave Active devices Altimeters 3-30 GHz Earth surface topography Scatterometers 3-30 GHz Sea surface roughness Synthetic aperture 3-30 GHz Sea surface roughness radars (SAR) and movement

12 Sensores passivos radiação solar Características: Usam c.d.o. na banda do visível São multiespectrais detectam cores Fazem varrimento (scanning) geram imagens São obstruídos pelas nuvens São corrompidos pela atmosfera Medem as propriedades p da água que alteram a cor da superfície do oceano Medem a luz reflectida pela superfície do oceano A radiação próximo do infravermelho não penetra no oceano

13 Imagem de cor do oceano Distribuição global da concentração de clorofila à superfície obtida a partir do sensor SeaWiFS entre 28 de Agosto e 4 de Setembro de 2004.

14 Sensores passivos radiação emitida Características: Radiómetros térmicos de infravermelhos Multiplas bandas de c.d.o. Obstruidos pelas nuvens Requerem correcção atmosférica Medem a temperatura da superfície do mar Características: Radiómetros de micro-ondas Multiplas bandas de frequência Atravessa as nuvens Quase independentes da atmosfera Medem a temperatura da superfície do mar Medem a rugosidade da superfície do mar Poderão vir a medir a salinidade...?

15 Imagem obtida a partir de um sensor de infravermelho SST (ºC) Distribuição global da temperatura da superfície do mar obtida a partir do sensores NOAA AVHRR entre 14 e 18 de Setembro 2004 Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR)

16 Imagem obtida a partir de um radiómetro de micro-ondas Distribuição global da temperatura da superfície do mar obtida a partir do radiómetro de micro-ondas AMSR-E entre 21 e 28 de Dezembro2002 Advanced Microwave Scanning Radiometer - EOS (AMSR-E)

17 Sensores activos radar de micro-ondas Emite a pulsação de radar obliquamente Dois tipos: Scatterometer (baixa resolução) Mede a velocidade d e direcção do vento SeaWinds Scatterometer on QuickScat Resolução de 25 km dos 3 aos 20 m/s Erro máximo de 2m/s e 20º na direcção Radar de Imagem SAR (elevada resolução) Detecta os padrões de rugosidade da superfície Mede a rugosidade de pequena escala ( cm) Imagem de tudo o que modele a sup. do oceano Emite a pulsação de radar verticalmente Altimetro Mede o tempo de retorno Detecta a distância à superfície do oceano Mede a forma e intensidade do retorno Detecta a altura de onda e vento

18 Imagem obtida a partir de um radar de micro-ondas (Scatterometer) Distribuição global da velocidade do vento sobre o mar obtida pelo sensor SeaWinds a bordo do satélite QuickScat durante o dia 2 de Outubro 2003

19 Imagem obtida a partir de um radar de micro-ondas (SAR Synthetic Aperture Radar) Ondas internas Figueira da Foz Observação de ondas internas na região da Nazaré e no Estreito de Gibraltar Bandas brilhantes: mar rugoso; Bandas escuras: mar liso

20 Imagem obtida a partir de um radar altímetro Anomalia da altura do nível do mar (mm) altura do nível do mar entre 16 e 26 Set altura média durante vérios anos

21 Qual a importância dos dados de satélite? A detecção remota por satélite permitiu estudar fenómenos à escala do Oceano Global Actualmente podemos colocar questões sobre processos de larga escala que anteriormente não podiam ser respondidos Podemos hoje fazer observações do oceano numa escala que permite testar t e expandir os modelos teóricos A Oceanografia do Sec. XXI tornou-se dependente das observações por satélite Todos os ramos das Ciências do Mar esperam actualmente usar imagens de satélite O interesse pelos dados de satélite deixou de ser exclusiva dos especialistas em oceanografia por satélite Há um uso crescente dos dados de satélite para fins de oceanografia operacional monitorização e previsão

22 Limitações fundamentais da detecção remota por satélite Só observa algumas das propriedades e variáveis do oceano As medições fazem-se apenas na superfície do oceano ou perto dela (apesar de ser aí que é mais importante medir...) Os valores medidos podem ser viciados pela atmosfera Alguns métodos de observação não podem ver através das nuvens As observações só podem ser feitas quando o satélite está no sítio certo Todas as medidas requerem calibração e validação com dados in situ

23 Radar HF (CODAR): radares de micro-ondas de alta frequência instalados em terra 08 Dez :00 GMT 10 Dez :00 GMT 10 Dez :00 GMT 10 Dez :00 GMT

24 HF radar and CODAR Não há retorno devido à corrente Retorno com um desvio de Doppler devido a uma corrente de aproximação

25 Esquema da cobertura realizada por duas antenas. A área de sobreposição é a região onde as correntes horizontais podem ser resolvidas. HF Radars

26 HF Radars na costa oeste da Peninsula Ibérica Cabo Silleiro i (Pontevedra) Puertos del Estado Cabo de Sines

27 Cobertura da costa Portuguesa Noroeste Oeste Sudoeste Candidatura ao Interreg Transfronteiriço

28 Que Temperatura da Superfície do Mar (Sea Surface Temperature SST) vemos nós a partir do espaço? SST é um parâmetro muito difícil de definir com exactidão: O oceano superficial (~10 m) tem uma estrutura vertical complexa e variável, relacionada com a turbulência e os fluxos ar-mar de calor, humidade e momento linear Uma definição de SST é necessária para: Entender o conteudo da informação proviniente do satélite Entender a relação entre medições de SST de differentes satélites Poder criar produtos a partir da fusão com observações in situ. Como é que estrutura térmica do oceano se comporta perto da superfície? A figura seguinte apresenta um diagrama esquemático da definição de temperatura nos primeiros 10 m do oceano

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30 SST (ou TSM em português). O que é? SSTint: é a temperatura exactamente na interface ar-oceano. Não tem muito uso prático porque não pode ser medida com a tecnologia actual. SSTskin: é a temperatura t de pele, definida id como a que é medida por um radiómetro de infravermelho (c.d.o µm). Representa a temperatura a uma profundidade de ~10-20 µm e está sujeita ao ciclo diário de aquecimento SSTsub-skin: é aproximadamente a temperatura medida por um radiómetro de micro-ondas que opere na banda de frequência de 6-11 GHz. Representa a temperatura a uma profundidade de ~1-10 mm SSTdepth: representa a temperatura abaixo da SSTsub-skin, medida por uma série de sensores (boias, termistores, perfiladores, etc.). Esta temperatura é distinta da obtida por satélite e deverá indicar a profunfidade fid d do registo (p.ex. SST5m). SSTfnd (foundation SST): é a temperatura livre do ciclo diário. É definida como a temperatura no primeiro instante do dia quando o ganho de calor da absorção da radiação solar excede e perca de calor na superfície do mar.

31 Deteção Remota: Princípios, Tecnologias e Metodologias Deteção remota do oceano por satélite Tipicamente inclui: Calibração dos sensores Correcção atmosférica Geo-referenciação Observação oceanográfica directa para obter a verdade Processamento das imagens Aplicação oceanográfica

32 Processamento de imagens Níveis de processamento de dados de satélite Nível 1 dados em bruto recebidos do satélite, em fomato binário standard Nível 2 Imagem em coordenadas do sensor contendo cada canal calibrado individualmente Nível 3 imagem da variável oceânica já calculada, com correcção atmosférica e georeferenciada, mas apresentada em coordenadas do sensor Nível 4 imagem composta da variável oceânica calculada e reamostrada num mapa base standard durante um certo intervalo de tempo (dias, semanas ou meses pode conter pixeis com falhas) Nível 5 Imagem representando a média de uma variável oceânica dentro de cada célula da rede como resultado de uma análise dos dados, p. ex. modelação ou inclusão de dados in situ

33 ALGUNS CASOS DE ESTUDO Um oceano costeiro em aquecimento...

34 Evolução da estrutura de mesoescala ao largo da Peninsula Ibérica Questão chave: Como responde o ecosistema Ibérico ao aquecimento observado nas décadas passadas? Só a deteção remota pode dar uma resposta... Resultado: diferentes estruturas de mesoescala respondem de diferente modo ao aquecimento global O valor associado a cada pixel representa a tendência entre 1985 e 2008, em ºC/ano

35 Os meses de Julho a Stembro são os grandes responsáveis pelo padrão obervado

36 Clorofila a ao largo da P. Ibérica 38º N S S Chl-a (mg/m3 ) 37º N SV 36º N 23 August º W 11º W 9º W 7º W SeaWiFS-derived chlorophyll-a distribution in SW Iberia in 12 February The southwestward filament is about 400 km long.

37 O filamento do C.S.Vicente observado por detecção remota: SST e Clorofila a SST a b 5 ºC mg m -3 SST satellite image from 22 October 2004 with the location of the sampling sites (a) and the concurrent of Chl satellite image from 23 October 2004 (b).

38 Sinal deixado por ondas internas na Clorofila a (a) Chlorophyll concentration (colour) from SeaWiFS on 4 Sep 1999, and coincident internal waves (white lines) from the ERS-2 SAR on 3 Sep 1999, Bay of Biscay. Shelf break depth contours at 200 and 1000 m are indicated, and an expanded portion of the SAR image itself is overlaid in the lower left corner. (b) Chlorophyll concentration from SeaWiFS, and coincident internal waves from the ERS-2 SAR, on 14 Aug

39 Seawifs, The Western Iberian Buoyant Plume and the Survival Of Sardine Larvae SeaWiFS-derived chlorophyll-a distribution of NW Iberia in 19 Feb 2000 (middle image). In the right plot is presented the in situ surface distribution of chlorophyll-a and in the left plot a cross-slope section obtained during an oceanographic survey cruise contemporaneous to the satellite image. The white crosses in the satellite image indicate the location of the oceanographic stations and the red arrow the cross-slope section presented in the right plot. The shaded red areas in the left and right plots represent the locations of the maxima and features seen in the satellite image

40 Infrared Remote Sensing: Coastal Oceanography and Circulation Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov Dec Sea surface temperature (ºC) 2003 (monthly mean)

41 The mesoscale poleward flows Poleward Flows ((winter...?)) 44º ºC SST 27 Sep º SST 1-7 Jun º 18 42º poleward flow shifted offshore, coexisting with the equatorward upwelling jet. 42º 20 41º NERC RSDAS -10º -9º -8º -7º Sordo et al, º -11º 19-10º 18-9º 17-8º ºC Torres and Barton, 2006 SST 8 Aug º - reduced cross-shelf transport alongshore transport prevails º region exposed to forcing factors other than wind stress º Poleward flows over the inner shelf during the upwelling season - dynamics somewhat independent from the outer shelf SST 12 Aug ms-1 36º Iberian Poleward Current persists year round -8º -7º -9º -8º -7º ºC Sanchez et al, 2006

42 The mesoscale poleward flows The example of the warm inshore countercurrent off SW Iberia: Progress west under relaxed winds at south coast Turns CSV to progress north under weaker upwelling favourable wind at west coast Retreats under eastward wind at south coast and intensified southward wind at west coast

43 The mesoscale poleward flows Contrasting situation in two consecutive years: SST 2 Aug SST 4 Aug The interplay between the wind forcing and an the alongshore pressure gardient defines the coastal circulation off SW Iberia

44 The mesoscale poleward flows Evolution of the inshore countercurrent 1-13 Aug Warm counterflow is connected with G.Cadiz waters Develops following upwelling wind relaxation Onset of upwelling favourable wind at C.S.Vicente does not imply an immediate retreat of the warm band

45 The mesoscale poleward flows Direct measurements: Transect 1 to 5 (Jun 12 02:00 - Jun 15 19:45); Layer: m cm/s Transect 6 to 8 (Jun 15 19:45 - Jun 17 11:00); Layer: m cm/s 37.4 de latitu AVHRR 16 Jun 94 17:28 tude latit longitude SST(C) SST(C) 37.0 AVHRR 16 Jun 94 17: longitude Poleward surface velocities >40cm/s around C.S.Vicente Cool water offshore from tongue separating further north Counterflow curls against the coast after rounding CSV

46 Detecção remota de infravermelhos Group for High-Resolution SST (GHRSST): PO.DAAC: Interface POET:

47 Microwaves Remote Sensing: Altimetry, Sea-Level Height, Surface Winds and Ocean Circulation AVISO: QuikSCAT: Aplicação de altimetria ao C. S. Vicente: aqui