Ny teknikk for radarsatellitter kaster lys over dynamikken til havstrømmer

En ny teknikk, basert på samme prinsipp som politiets fartsmålere, har blitt brukt på radardata samlet inn ved hjelp av satellitt. Nå kan forskerne få den informasjonen som er nødvendig for at de bedre skal forstå styrken og variasjonen til havstrømmer, og deres betydning for miljøendringer.

SeaSAR 2008 er en workshop som ble avholdt den 21.-25. januar 2008 i ESRIN, ESAs Europeiske Senter for Jordobservasjon, i Frascati i Italia. Her demonstrerte forskere hvordan den nye metoden for data fra Avansert Syntetisk Apertur-Radar (ASAR)-instrumentet ombord på ESAs Envisat, gjør det mulig å måle farten på havoverflate som er i bevegelse.

Radarinstrumenter med syntetisk apertur (SAR), som ASAR, måler tilbakereflektert radarstråling i mikrobølgeområdet for å kunne registrere mønstre av ujevnheter. Disse forbindes med vinder, bølger og strømmer på havoverflaten. Men hittil har det vært svært vanskelig å tolke radarbilder for identifikasjon og kvantifikasjon overflatestrømmer.

Ved å bruke ny informasjon i radarsignalet - Doppler-forskyvningen til de elektromagnetiske bølgene reflektert fra havoverflaten - kunne Dr. Bertrand Chapron ved det franske havforskningsinstituttet (IFREMER), Dr. Johnny Johannessen ved det norske Nansen Senter for Miljø og Fjernmåling (NERSC) (http://www.nersc.no/main/index2.php) og Dr. Fabrice Collard ved det franske selskapet BOOST Technologies, måle hvordan vinder og strømmer på havoverflaten bidrar til Doppler-forskyvning.

Doppler-forskyvning skjer når relative hastigheter endrer seg. Et eksempel fra dagliglivet er måten lyden av sirenen til en ambulanse som passerer forandrer seg. Når ambulansen nærmer seg, stiger sirenen i tone. Når ambulansen har passert, synker tonen.

Doppler-forskyvning introduseres av den relative bevegelsen mellom satellittens plattform, jordens omdreining og hastigheten til vinden eller strømmen som reflekterer SAR-signalet tilbake til rommet. De to første verdiene er godt kjente, spesielt for Envisat, som har en svært stabil satellittbane og høyde. Disse kan ganske enkelt trekkes fra regnestykket for å få den nyttige informasjonen om hastigheten til havoverflaten.

Chapron demonstrerte metoden i 2005, med tester utført over Golfstrømmen. Men selv om resultatene var svært lovende, var det ikke mulig å gjenta eller bekrefte dem. Basert på dette arbeidet, oppgraderte ESA bakkesegmentet til ASAR i juli 2007. Det ble gjort for systematisk å kunne behandle og skille ut et Doppler-nett-produkt, en rekke av individuell Doppler-informasjon med lik avstand, for alle bilder tatt med Wide Swath-teknikken.

Doppler-nettet, som finnes i alle standard radarprodukter fra ESA, utprøves nå jevnlig på flere såkalte ”supersteder”. Disse inkluderer deler av Golfstrømmen og den Store Agulhas-strømmen.. Begge disse er blant de sterkeste vestlige strømmene i havet.

”Disse målingene er svært nyttige for å øke forståelsen av dynamikken til overflatestrømmer og endringer på mesoskalanivå. I tillegg er de nyttige for å bestemme overflatedrift, som er viktig for spredningen av oljeflak og transport av forurensninger. Målingene er også viktige for å forstå bølge-strøm-interaksjon, noe som antakeligvis påvirker dannelsen av ekstrembølger,” sa Johannessen.

”På denne høye oppløsningen kunne metoden også utfylle andre kilder til informasjon for å forbedre tredimensjonale havmodeller. Dens bruk i sensorsynergi sammen med radiometri, spektrometri og altimetri er svært lovende,” la Chapron til.

Oppgraderingen av bakkesegmentet gjør det også mulig for forskerne å undersøke det forventete Doppler-forskyvningssignalet til vannstrømmen som kommer ut av munningen på Amazon-deltaet. Dette vil øke forståelsen av hydrologiske prosesser.

Chapron og Collard presenterte også observasjoner av globale, langtgående bølger tatt i nær sanntid til workshopen. I år deltok 150 deltakere fra 25 land på arrangementet. Ved å bruke standardbehandlete SAR bølgemodusprodukter fra ESA, kan gruppen produsere tre animasjoner hver time, for Atlanterhavet, Stillehavet og det Indiske Hav, hver dag. Disse gjøres tilgjengelig online.

Det er svært viktig å kunne spore langtgående bølger fra rommet, fordi disse bølgene generelt forløpes av rolig vann, noe som gjør dem umulige å detektere fra land. Envisats Bølgemodus tar bilder av områder på 10 ganger 5 kilometer av havoverflaten for hver 100. kilometer langs satellittbanen. Disse bildene, som viser grupper av bølger, blir så matematisk transformert til bølgeenergi og retning, kalt havbølgespektra.

ESA har bidratt med SAR-data til mer enn 500 oseanografiske prosjekter siden 1998, og vil fortsette å støtte sine SAR-oppdrag. Som en del av Global Monitoring for Environment and Security (GMES)-programmet, vil ESA skyte opp Sentinel-satellittene – den første serien av operasjonelle satellitter som skal dekke GMES’ behov for jordobservasjonsdata. Dette er et samarbeidsprosjekt mellom EU og ESA.

Sentinel-1, som er planlagt å skytes opp i 2011, vil sikre kontinuitet av C-bånd SAR-data med ESAs ERS-2 og Envisat satellitter. Oppdraget skal brukes til deteksjon av havgående fartøy, samt kartlegging av oljesøl og havis. Med de nye oppdagelsene, forventes Sentinel-1 også å gi annen informasjon, slik som regelmessige data om vind, bølger og havstrømmer.