Jak i po co mierzymy temperaturę oceanu – pomiary satelitarne

Kontynuujemy temat pomiarów temperatury powierzchni oceanu, podjęty w artykule Jak i po co mierzymy temperaturę oceanu – pomiary bezpośrednie. Tym razem prof. dr hab. Piotr J. Flatau wprowadzi nas w zagadnienia związane z pomiarami satelitarnymi.

Zwierciadła Picteta

Około roku 1800 Marc-Auguste Pictet przeprowadził w Genewie eksperyment, w którym pokazał, że temperatura zimnego lub ciepłego obiektu może być monitorowana na odległość. Jego eksperyment jest zilustrowany na rysunku 1. Dwa zwierciadła A i B, o średnicy około 40 centymetrów i ogniskowej 40 centymetrów, umieszczone były w odległości prawie 5 metrów od siebie. W momencie, kiedy oziębiony obiekt (szklana bańka wypełniona lodem) został umieszczony w ogniskowej lustra A, temperatura w punkcie D zaczęła natychmiast spadać. Nie obserwowano tego efektu, kiedy termometr przesunięto z ogniskowej D w inne miejsce. Dla wielu osób eksperyment jest do tej pory zaskakujący; chociaż niewiele z nich ma problem z uwierzeniem, że ciepły obiekt umieszczony w ogniskowej C podniesie temperaturę termometru. Obecnie wiemy, że eksperyment ilustruje propagację fal elektromagnetycznych w podczerwieni, a nie wymianę ciepła związaną z mieszaniem się otaczającego powietrza. Eksperyment ilustruje także, że promieniowanie w podczerwieni jest odbijane i skupiane przez lustra podobnie jak promienie świetlne.

Wytłumaczenie eksperymentu jest dodatkowo zilustrowane na rysunku 2. Każde ciało emituje promieniowanie podczerwone, emisja ta zależy od temperatury i najczęściej jest identyczna w każdym kierunku. Promienie są zbierane przez lustro, które jest wykonane z materiału niepochłaniającego promieniowania podczerwonego. Podobny proces ogniskowania odbywa się dla lustra B.

Można sobie wyobrazić szereg komplikacji w przeprowadzeniu tego eksperymentu. Dla przykładu lustro A może skupiać nie tylko promieniowanie wychodzące z punktu w ogniskowej C, ale inne promienie emitowane w pobliżu; w takim przypadku pomiar w odległym punkcie będzie reprezentował nie tylko zmiany temperatury samego obiektu, ale będzie pewną wypadkową temperatur obiektu i otoczenia. Lustra mogą nie być idealnie odbijające. Jest też intuicyjne, że czym mniejsza intensywność promieniowania, tym mniejsza jest też czułość pomiaru temperatury.

Pomiary satelitarne w podczerwieni i mikrofalach

Podobną technikę oszacowania temperatury na podstawie emitowanego promieniowania stosujemy obecnie do pomiarów temperatury oceanu używając do tego przyrządów umieszczonych w przestrzeni kosmicznej na krążących wokół Ziemi satelitach. Rysunek 3 pokazuje przyrząd satelitarny do pomiarów promieniowania mikrofalowego, którego elementem jest skanujące Ziemię lustro, skupiające dochodzące promieniowanie na rejestrującym energię sygnału czujniku. Oczywiście nie umieszczamy żadnych zwierciadeł na powierzchni oceanu, lecz zamiast tego zbierane jest promieniowanie z dużego obszaru. Do pomiarów temperatury oceanu stosuje się zakresy promieniowania w długościach fal w podczerwieni pomiędzy 3,7-12 mikrometrów oraz promieniowanie mikrofalowe w zakresie fal o częstotliwości od 6 do 200 GHz – czyli o długości fali od 5 do 0,14 centymetrów.

Wiadomo, że emisja promieniowania dla danej temperatury maleje dla większych długości fal (rysunek 4). Dlatego pomiary mikrofalowe wymagają zbierania informacji z większego obszaru na oceanie niż pomiary w podczerwieni. Powoduje to, że w obszarze mikrofalowym trudniej jest wykonać pomiary o dobrej rozdzielczości przestrzennej na powierzchni Ziemi (rysunek 5).

Okna atmosferyczne

Podobnie jak w doświadczeniu Picteta otoczenie może wywierać wpływ na pomiar temperatury poprzez emisję promieniowania, które nie pochodzi bezpośrednio od oceanu; efekty te są związane z wypromieniowaniem z chmur, wypromieniowaniem od cząstek zawieszonych w atmosferze, emisji od gazów, których mieszaniną jest powietrze. Jest tak, pomimo że do pomiaru SST dobierane są długości fal, w których atmosfera absorbuje mało promieniowania, tzw. „okien atmosferycznych”. Problem wyznaczenia temperatury z pomiarów w różnych długościach fal jest skomplikowany i wymaga wprowadzenia poprawek atmosferycznych oraz porównań z pomiarami bezpośrednimi; innymi słowy, algorytmy satelitarne oparte na pierwszych zasadach fizyki (równaniu transportu promieniowania) są poprawiane empirycznie na podstawie bezpośrednich pomiarów w tym samym czasie i miejscu. Mówimy wtedy o parametryzacji zależności obserwowanej temperatury z oszacowaniami satelitarnymi. W poglądowy sposób możemy napisać, że temperatura zmierzona na stacji kosmicznej Tb zależy nie tylko od temperatury oceanu Ts i jego emisyjności e, ale też od poprawki atmosferycznej oraz od odbicia promieniowania z układu ocean-atmosfera. Jest to zilustrowane na rysunku 6.

Na satelitarne pomiary temperatury oceanu wpływ mają także krople chmurowe i deszcz. Krople chmurowe mają rozmiary około 10 mikronów i są na tyle małe, że promieniowanie mikrofalowe jest tylko nieznacznie zaburzane przez chmury. Gorzej jest, gdy zaczyna padać deszcz, bo krople deszczu mają rozmiary dochodzące do milimetra i zaczynają rozpraszać promieniowanie mikrofalowe. W podczerwieni wielkości kropli chmurowych są porównywalne z długością fal (około 10 mikrometrów) i dlatego promieniowanie podczerwone nie może być używane do oceny temperatury powierzchni oceanu ani w obecności chmur, ani w obecności opadów.

Własności fizyczne wody

Warto, chociaż pokrótce, wspomnieć o własnościach fizycznych wody morskiej, bo determinują one jakość pomiarów satelitarnych. W przypadku fal w podczerwieni informacja o temperaturze pochodzi z głębokości kilkunastu mikronów poniżej powierzchni atmosfera-ocean, czyli od naskórka oceanu. Promieniowanie w długościach fal w podczerwieni w zakresie 3,7-12 mikrometrów jest silnie pochłaniane przez wodę. Podobnie jest w zakresie fal mikrofalowych – fale o częstotliwości od 6 do 200 GHz wnikają na głębokość około 1 milimetra poniżej granicy powietrze-ocean. Na rysunku 7 pokazana jest zależność zaniku intensywności dla różnych długości fal wraz z głębokością; widać na nim, że w porównaniu z promieniowaniem w podczerwieni i mikrofalach widzialne promieniowanie słoneczne wnika do wody na bardzo dużą głębokość.

Innym parametrem fizycznym wody jest jej emisyjność. Emisyjność definiuje, w jakim stopniu woda jest „czarna” w danej długości fal. Okazuje się, że gdybyśmy mogli widzieć w świetle podczerwonym, to woda byłaby prawie czarna, natomiast w zakresie fal mikrofalowych wyglądałaby jak zabrudzone lustro, bo emisyjność wody w mikrofalach jest mała.

Algorytmy, kalibracja i błędy systematyczne

Oszacowania temperatury oceanu z pomiarów satelitarnych należą do tak zwanych procesów odwrotnych i nie są pomiarami bezpośrednimi. Algorytmy do wyznaczania temperatury z pomiarów satelitarnych często opierają się na równaniach transferu promieniowania, ale też w dużym stopniu na kalibracji pomiarów z pomiarami bezpośrednimi i na technice przybliżonego odwracania złożonego problemu matematycznego. Mimo olbrzymich zalet pomiarów satelitarnych związanych z ich globalnym pokryciem, istnieje kilka istotnych problemów. Pomiary satelitarne nie są ciągłe, typowy satelita ma okres życia kilku lat i jest zastępowany przez satelitę nowszej generacji. Dlatego też klimatologie, czyli z założenia długie serie pomiarowe, oparte na badaniach satelitarnych nie są dokładne i wymagają dużej ostrożności w interpretacji. Czasami satelita nowej generacji ma podobny przyrząd na pokładzie, tak jest w przypadku amerykańskiego przyrządu Advanced Very High Resolution Radiometer (AVHRR), a mimo to trzeba zachować ostrożność w interpretacji wieloletnich danych z tych pomiarów ze względu na trudności w kalibracji i stopniową degradację czujników. Niektóre przyrządy nowszej generacji zostały opracowane z myślą o pomiarach klimatycznych, jednym z nich jest Along-Track Scanning Radiometer (ATSR), ale czas trwania tych pomiarów jest jeszcze stosunkowo krótki. Z drugiej strony, pomiary temperatury ze sztucznych satelitów Ziemi odgrywają pierwszoplanową rolę w prognozach pogody, analizie zjawisk oceanicznych i prognozie zjawisk w skali sezonowej.

Uwagi końcowe

Wydawać by się mogło, że postęp pomiędzy pomiarami temperatury wody w wiadrze, a pomiarami z dryfujących boi jest tak ogromny, że dalsze usprawnienia pomiarów nie są już potrzebne. Mimo to życie dyktuje coraz to nowe rozwiązania – czasami wymuszone przez nowe technologie, czasami związane prozaicznie z polityką lub ekonomią. Dla przykładu, w ostatnich latach umieszczanie boi w okolicach Półwyspu Somalijskiego stało niebezpieczne ze względu na zbrojne grupy piratów działające w tamtych okolicach. W niektórych rejonach boje dryfujące są szybko wyławiane i niszczone przez rybaków. Programy satelitarne nie są kontynuowane ze względu na brak środków lub ze względu na ograniczanie finansowania złożonych programów badawczych przez polityków.

Mimo to, badania klimatyczne oczywiście trwają. Dla przykładu, fizycy atmosfery i oceanografowie zajmujący się obserwacjami w równikowym Pacyfiku, tworzą grupę „Tropical Pacific Observing System” i aktywnie planują przyszłe pomiary temperatury oceanu. Jedną z rekomendacji tej grupy jest utworzenie sieci pomiarowej opartej na bezpośrednich pomiarach za pomocą przyrządów z małymi błędami systematycznymi; np. postulują poprawienie termistorów używanych w dryfterach, tak żeby pomiary nie zależały od tego jak długo dryfter przebywa w wodzie. Proponują też nowe wyzwania badawcze: ważnym elementem pomiarów powinno być zrozumienie dziennych zmian temperatury, ponieważ nie wiemy czy nocne pomiary są wystarczająco reprezentatywne. Postulują, żeby bezpośrednie pomiary były prowadzone w obszarach gdzie jest duże zachmurzenie i pada deszcz, bo są to miejsca na oceanie, w których pomiary satelitarne są niemożliwe lub utrudnione. Innym elementem planowania pomiarów temperatury są nowe techniki pomiarowe. Jedną z nich jest rozwój systemu ARGO. System ten zaczął w pełni funkcjonować stosunkowo niedawno, bo w 2006 roku – są to samozanurzalne boje, które większość czasu spędzają na głębokości 1000 m, gdzie wpływ dryfu jest stosunkowo niewielki. Raz na 10 dni boje wynurzają się i robią pomiary temperatury i zasolenia. Pomiary są obecnie wyłączane na pół metra przed osiągnięciem powierzchni oceanu, żeby uchronić czujniki przed osadzaniem zanieczyszczeń. Naukowcy postulują, żeby pewien procent pomiarów ARGO miał znacznie szybszy cykl czasowy, co pozwoli na lepsze zrozumienie zmian temperatury oceanu w skalach dobowych.

Innym rozważanym systemem pomiarowym są bezzałogowe żaglowce takie jak na rysunku 9 – mogą one wykonywać pomiary na dużych obszarach oceanu i są mniej uzależnione od dryfu. Trudno prognozować, co przyniesie przyszłość, ale warto angażować się w badania z odpowiednim wyprzedzeniem, bowiem złożone projekty badawcze planowane są na kilkanaście lat naprzód – jak w przypadku misji satelitarnych, lub kilka lat naprzód – jak w przypadku rozwoju naziemnych sieci pomiarowych.

Piotr J. Flatau, Uniwersytet Kalifornijski w San Diego

Dalsza literatura

• Carella, G., et al. „Measurements and models of the temperature change of water samples in Sea Surface Temperature buckets.” Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society (2017).
• Jones, Philip. „The reliability of global and hemispheric surface temperature records.” Advances in Atmospheric Sciences 33.3 (2016): 269-282.
• Kennedy, John J. „A review of uncertainty in in situ measurements and data sets of sea surface temperature.” Reviews of Geophysics 52.1 (2014): 1-32.
• Kent, Elizabeth C., et al. „Effects of instrumentation changes on sea surface temperature measured in situ.” Wiley Interdisciplinary Reviews: Climate Change 1.5 (2010): 718-728.
• Reverdin, Gilles, et al. „Temperature measurements from surface drifters.” Journal of Atmospheric and Oceanic Technology 27.8 (2010): 1403-1409.