Atmosferische correctie en de kleur van het zeewater

Atmosferische correctie en de kleur van het oceaanwater
1. Inleiding
Het observeren van de kleur van het oceaanwater en het begrijpen van de oorzaak hiervan geeft ons informatie over de
verschillende aanwezige substanties in het water. Met betrekking tot eutrofiëring, zijn er twee belangrijke parameters die hieruit
kunnen worden afgeleid: de hoeveelheid chlorofyl en de penetratie van licht in het water.
Wanneer we de oceaan observeren boven zijn oppervlak, wordt de reflectie of weerkaatsing van het oppervlak (van licht direct
afkomstig van zon en hemel) toegevoegd aan het signaal dat van de zee zelf komt. Bij observatie van de zee vanuit de ruimte,
moeten we dus rekening houden met het dubbel pad doorheen de atmosfeer (zon-oppervlak-satelliet). De atmosferische correctie
heeft tot doelstelling deze interferenties van het signaal te verwijderen om zo de echte kleur van het water te bekomen.
2. Fundamentele optica

Het zonlicht
Op een gegeven punt aan de top van de atmosfeer is het zonlicht wit en komt het uit één richting. We weten allemaal dat dit wit
licht kan worden opgesplitst in kleuren: in het zichtbaar gebied is het een regenboog van violet naar rood; voor het violet hebben
we het ultraviolet en boven het rood licht vinden we het infrarood.

De atmosferische verstrooiing
In afwezigheid van de atmosfeer, zouden we gedurende de dag enkel de zeer heldere zonneschijf zien en de hemelkoepel zou
donker zijn. In aanwezigheid van atmosfeer zal er attenuatie zijn van het zonlicht (het zonlicht wordt verzwakt naarmate het zich
verder van de zon bevindt). Het zonlicht interageert met de atmosfeer eerst door verstrooiing waarbij het licht wordt verstrooid in
alle richtingen (bijvoorbeeld wanneer in een donkere kelder een zonnestraal binnendringt dan kan je het zien door de verstrooiing
van stof)en daarna door absorptie.
Moleculaire verstrooiing
Deze verstrooiing is zeer intens in het blauw en neemt snel af naar het rode. In de bergen is de lucht intens blauw door de
zuiverheid van de atmosfeer. De hoeveelheid moleculen, en daarom ook de intensiteit van de moleculaire verstrooiing, is evenredig
met de atmosferische druk.
Aerosol verstrooiing
De deeltjes in de lucht (aerosolen) verstrooien het licht en de kleur varieert van blauw (zeer kleine aerosolen) tot wit (grote
aerosolen). Hun aard en hoeveelheid is zeer variabel in tijd en ruimte.
Verstrooiing door wolken en mist
Deze verstrooiing door waterdruppels is wit en intens. We zien de zon niet door de wolken en daardoor is het niet mogelijk om de
oceaan te zien vanuit de ruimte in de aanwezigheid van wolken.

Atmosferische absorptie
Door de moleculen
We weten dat de ozonlaag ons beschermt tegen UV straling. Andere atmosferische gassen absorberen het zonlicht in het visuele en
in het infrarode deel van het spectrum. Bij het ontwerpen van een satellietsensor wordt er een selectie gemaakt van kleuren (dmv
spectrale filters) om atmosferische absorptie te vermijden (atmosferische vensters).
Absorptie door de aerosolen
Veel foto’s, genomen boven de grotere steden, illustreren de luchtverontreiniging via de duisternis van de atmosfeer. Zwarte roet
absorbeert bijvoorbeeld zeer sterk.
Gelukkig is dit niet het geval over de oceanen waar absorptie door aerosolen meestal zwak blijft.
Indien we de atmosferische samenstelling zouden kennen, kunnen we de atmosferische verstrooiing en absorptie berekenen. Dit is
het domein van de stralingstransport.
3. Het meten van de kleur van het water juist boven het oppervlak

De reflectie van de zonnestralen aan het oppervlak
Het beeld van de zon door reflectie over het water is zeer intens maar heel gelokaliseerd in richting. Deze geometrie moet worden
vermeden vanuit de ruimte.

De reflectie van de hemelkoepel
Wanneer we de kleur van het water willen bestuderen vanaf het oppervlak, meten we het in een welbepaalde richting en moeten
we corrigeren voor de reflectie van de hemelkoepel in deze richting. De eenvoudigste experimentele benadering is om simultaan
het signaal van de hemelkoepel te meten in de tegenovergestelde richting. De eenvoudige wet van reflectie laat dan toe om de
reflectie van de hemelkoepel af te trekken.
3
2
Sensor 1 meet het watersignaal boven het oppervlak. Sensor 2 meet het
atmosferisch signaal. De wet van reflectie wordt toegepast op meting 2 om
van meting 1 de reflectie van de hemelkoepel af te trekken. Sensor 3 meet de
totale zonne-energie.
1
4. Metingen van de kleur van de oceaan vanuit de ruimte

De reflectie van zonnestralen
We proberen dit zoveel mogelijk te vermijden. Als het toch
voorkomt, gebruiken we het gedeelte van het satellietbeeld dat
door de zonneglinstering is bezoedeld, niet.
De figuur geeft schematisch de verschillende bijdrages weer tot het
satellietsignaal.
De tabel hieronder geeft de relatieve belangrijkheid van het
mariene signaal. De oceaan is zwart in het nabiej infrarode welke
ons de mogelijkheid geeft om de atmosfeer te karakteriseren. In
het visuele is de bijdrage van de kleur van het water heel beperkt
wat het uitvoeren van een accurate atmosferische correctie
impliceert.
8 km
Voor drie kleuren en twee zonnehoeken (45 en 75
graden), geven we in procent de relatieve bijdrage
weer van de moleculaire verstrooiing, de aerosol
verstrooiing en de oceaan aan het satelliet
signaal. Het betreft continentale aerosolen en
twee horizontale zichtbaarheden worden hier
beschouwd: 8 km en 23 km.

23 km
blue
red
Near
infra red
blue
red
Near
infra red
45°
62.6
34.7
23.1
75.8
53.1
42.9
75°
58.2
29.7
18.8
70.7
45.2
32.4
45°
32.3
61.2
76.9
16.4
40.6
57.1
75°
39.8
68.8
81.3
26.0
52.3
67.6
45°
5.2
4.1
0.0
7.8
6.3
0.0
75°
1.9
1.5
0.0
3.3
2.5
0.0
Molecules
Aerosols
Sea
Remote sensing of teledetectie van aerosolen
Het is welbekend dat de atmosferische verstrooiing evenredig is met de luchtdruk. Eveneens is de wet van de reflectie van het licht
boven water gekend. Wat ontbreekt is de ruwheid van het zee-oppervlak. Deze kunnen we modelleren als functie van de
windsnelheid (meestal gemeten). De grootste onbekenden zijn de aerosolen: hun aard en voorkomen. In het nabij-infrarood is het
water zwart en het satellietsignaal is puur atmosferisch. Om de aerosolen te bepalen trekken we de moleculaire verstrooiing af. Met
behulp van twee spectrale filters, weten we de kleur van de aerosol en dus de aard ervan (blauw = klein, wit = groot). De intensiteit
van het signaal bepaalt hun maat van voorkomen.

De regionale optische eigenschappen van aërosolen
Om beter gebruik te maken van de twee stukken van aerosol informatie verkregen door observaties vanuit de ruimte, moeten we
gebruik maken van een bibliotheek van aerosolmodellen. We hebben toegang tot een regionaal netwerk van grondgebaseerde
optische metingen welke ons toelaat om onze kennis van de optische eigenschappen van aerosolen te verbeteren.

Het atmosferische correctieschema
We weten nu dat het atmosferisch signaal bestaat uit volgende componenten:
(i)
De attenuatie door de atmosfeer van het signaal van de oceaan
(ii)
De absorptie door gassen
(iii)
De moleculaire verstrooiing
(iv)
De verstrooiing door aërosolen
(v)
De reflectie van het oppervlak
Zo is het gemakkelijk om van het signaal van een satelliet het signaal af te leiden afkomstig is van de oceaan (oceaankleur).