Lainetava mere heleduskoefitsiendi sõltuvus mõõtmistingimustest

1. Lainetava mere heleduskoefitsiendi sõltuvus mõõtmistingimustest Helgi Arst

2. Vaadeldakse mere heleduskoefitsienti (r), mis määratud juhtudel, kus atmosfääri mõju on tühine (mõõtmised laevalt, helikopterilt). Teatavasti koosneb kaugseire sensori poolt vastuvõetav signaal kahest komponendist: 1) veesambast difuusselt tagasihajunud kiirgus ja 2) lainetavalt merepinnalt tagasipeegeldunud kiirgus. Viimane jaguneb omakorda kaheks osaks, nimelt tuleb arvutusmudelites eraldi käsitleda peegeldunud hajuskiirgust ja Päikese otsekiirgust. Üldkasutatavad seosed on järgmised: Lu,D on veesambast tagasihajunud kiirguse kirkus, Lu,R on lainetavalt merepinnalt tagasipeegeldunud kiirguse kirkus, Ed on veepinnale langeva päikesekiirguse kiiritustihedus. Seega oleneb mere heleduskoefitsient järgmistest faktoritest: 1) vee optilised omadused 2) merepinna optilised omadused (puhas vesi, naftakile, vetikate “tekk”, merevaht), 3) päikese seniitnurk ja asimuut, 4) mõõtesuund, 5) tuule kiirus ja suund, 6) pinnale langeva hajuskiirguse (D) osakaal summaarses kiirguses (Ed), 7) kiirguse lainepikkus.

3. Kaugseire sensor (isegi, kui mõõdetakse küllalt ligidal veepinna kohal) “näeb” üldjuhul ringikujulist pinnaosa, mille mõõtmed sõltuvad instrumendi avanurgast ja kaugusest veepinnast. Merelainete pind pole teatavasti sile, vaid seal on “säbru”, s.t. paljud väga erinevate kalletega laineelemendid. Ligikaudselt saame järgmise kujutise:

4. Need laineelemendid omavad dünaamilist ja stohhastilist iseloomu ja seega on mingilt ühelt laineelemendilt mingis fikseeritud suunas mõõdetud kiirguse momentväärtus juhuslik suurus. Reeglina kujutab ühe mõõtmisprotseduuri lõpptulemus endast keskmistatud väärtust (nii ruumiline keskmistamine vaatenurga piires kui ka ajaline keskmistamine). Sõltuvalt mõõtmistingimustest, mõjutavad seda väärtust vähemal või rohkemal määral taevasfääri erinevatest punktidest lähtuv kiirgus ja ka päikese otsekiirgus (sun glitter). Töö jaguneb kolme ossa: 1)in situ mõõdetud rR(,sky) võrdlus mudelarvutuste abil saadutega, 2) kasutades in situ mõõdetud otsese ja hajuskiirguse andmeid, määrata mudelarvutuste teel rR(,sun) spektrid erinevate tuule kiiruste jaoks ning tema osakaal rR(,sky+sun) väärtustes, 3) leida algoritmid rR(,sky) ja rR(,sun) spektrite jaoks PAR piirkonnas erinevatel tuule kiirustel, kui on olemas kõik ülalmainitud algandmed, kuid otsese ja hajuskiirguse suhe on teada vaid ühe lainepikkuse kohta (meie valisime selleks 547 nm).

5. I. In situ mõõdetud rR(,sky) võrdlus mudelarvutuste abil saadutega Võrdluseks oli võimalik kasutada 1982.a. uurimislaevalt “Aju-Dag” nadiiri suunas mõõdetud rR(,sky) spektreid (lainepikkustel 392, 432, 526, 547, 620, 673 ja 700 nm). Need tulemused saadi eeldusel, et kus Lz oli taeva seniitpunkti kirkus (seda mõõdeti in situ). Komponendi rD() väärtus leiti arvutades vahe r - rR. Selge on, et päikesehelkide mõju jäi nii üldse arvesse võtmata. Samaaegselt oli koostatud arvutusmudel, mis võimaldab leida nii rR(,sky) kui ka rR(,sun) väärtused, kui vaadeldaval lainepikkusel on teada : 1) Päikese otse- ja hajuskiirguse väärtused, 2) mõõtmissuund, 3) Päikese seniitnurk, 4) tuule kiirus, 5) nurk tuule ja Päikese asimuutide vahel. Mudel töötab kas puhta või naftakilega kaetud veepinna puhul, kuid tekivad ilmsed raskused, kui veepinnal on vetikate “vaip” (või laigud). On selge, et mudeli võrdlust mõõtmistulemustega on mõtet teha vaid rR(,sky) jaoks. Selleks võrdluseks vajalikud algandmed olid olemas 41 spektri jaoks, 31 spektrit 1982.a. juulis ja 10 spektrit augustis (kõigil juhtudel selge ilm).

10. II. Komponent rR(,sun) osakaal rR(,sky+sun) väärtustes erinevate tuule kiiruste jaoks ja sõltuvus tuule ja päikese vahelisest nurgast (mudelarvutused) Tulemused saadi korrigeerimata mudeli põhjal. Andmebaasi olid lisatud ka juhud, kus r() väärtust polnud mõõdetud, seega vaatlesime 81 spektrit. Arvutused tehti tuule kiiruse 2, 5 ja 8 m/s jaoks.

14. III. Algoritmid rR(,sky) ja rR(,sun) spektrite jaoks erinevatel tuule kiirustel, kui on olemas kõik algandmed, kuid otsese ja hajuskiirguse suhe on teada vaid ühe lainepikkuse kohta (meie valisime 547 nm). Tehti regressioonanalüüs ja leiti vajalikud algoritmid ning koefitsiendid, mis sõltusid lainepikkusest ja (vähesel määral) ka tuule kiirusest. Arvutused tehti juhu jaoks, kus tuule ja Päikese asimuutide vaheline nurk on 0. Lähteandmetena kasutati nii rR(,sky, model) kui ka rR(,sky, corrected model) väärtusi; iga tuule kiiruse väärtuse (2, 5 ja 8 m/s) jaoks saadi lõpuks järgmised korrelatsioonid: 1) rR(,sky, model) vs. rR(,sky, regressioon 547) 2) rR(,sky, corrected model) vs. rR(,sky, regressioon 547) 3) rR(,sun, model) vs. rR(,sun, regressioon 547)

16. Järeldused 1. Käesolevas töös saadud arvulised hinnangud on saadud selge taeva jaoks, kui mõõtmissuunaks on nadiir ja ilma atmosfääri korrektsioonita. 2. Erinevused rR(,sky,meas) ja rR(,sky,model) vahel võivad olla põhjustatud nii mõõtmisvigadest kui ka puudujääkidest mudeli parametriseerimisel. Suurus rR(,sky,meas) ei mõõdeta otseselt, vaid arvutatakse kahe mõõdetud parameetri Ed() ja Lz() abil, milledest kumbki võib kaasa tuua oma vea.Seniidipunkti heledus ei pruugi kajastada tegeliku “taevalapi” heledust, millest langev kiirgus peegeldub lainetavalt mere-pinnalt. Ka rR(,model) arvutamise aluseks on mõõtmiste kaudu saadud Ed() ja D() andmed.Mudeli parametriseerimise põhiliseks puudujäägiks näib olevat see, et pole arvesse võetud taeva heleduse nurkjaotuse sõltuvust atmosfääri läbipaistvusest (see siiski ei mõjutarR(,sun, model) väärtusi). Praeguste konstantide puhul mudel ilmselt ei tööta “vetikavaiba” puhul.

17. 3. 1982.a. “Aju-Dagilt” mõõdetud andmete alusel hinnati ka rR(,sky+sun) ja rR(,sky) (mudelarvutused) osakaal vastavates r () väärtustes (mõõdeti in situ). Keskmine osakaal kõigub 30-45% piires, kuid eri juhtudel võib see olla vaid 10% või koguni 95%. 4. KomponentrR(,sun) osakaal rR(,sky+sun) väärtustes sõltub nii D() ja Ed() suhtest, kui ka päikese seniitnurgast ja tuule kiirusest.Tuule kiiruse 2 m/s puhul oli rR(,sun) osakaal praktiliselt null kõikide vaadeldud seniitnurkade puhul. Tuule kiiruse 5 m/s puhul, kui Päikese seniitnurk on suurem kui 55o, ei ületanud rR(,sun) osakaal reeglina 10%, sobivaks mõõtepiirkonnaks võiks siiski lugeda seniitnurkade vahemikku 50o -65o (väga madala päikese puhul ilmnevad muud vea allikad). Päikese seniitnurkade 35o – 45o puhul oli rR(,sun) osakaal 20-70% piires (w = 5 m/s) ja 40-85% piires (w = 8 m/s), kasvades  suurenemisega.Soovitav on mõõtmised teostada tuule kiirusel alla 5 m/s. 5. Päikese ja tuule vahelise asimuutnurga mõju rR(,sky+sun) väärtustele oli praktiliselt olematu kui päikese seniitnurk ületas 50o. Väiksemate seniitnurkade puhul oli rR(,sky+sun) minimaalne nurga 180o puhul, maksimaalne 0o puhul ja keskmine 90o puhul, kusjuures päikese seniitnurga vähenemine suurendas rR(,sky+sun) väärtusi.

18. 6. Koostati algoritmid, mis lubavad arvutada nii rR(,sky) kui ka rR(,sun) spektrid (mistahes lainepikkusel PAR piirkonnas), kui algandmeteks on: 1) D (või S) lainepikkusel 547 nm, 2) Ed lainepikkusel 547 nm, 3) tuule kiirus, 4) päikese seniitnurk, 5) nurk tuule ja päikese asimuutide vahel. Kooskõla niiviisi arvutatud tulemuste ja kõikidele lainepikkustele vastavate algandmete kasutamisel saadud väärtuste vahel oli nii rR(,sky) kui ka rR(,sun) puhul väga hea, nimelt oli regressioonivõrrandi konstant 0.994 ja 1.01 vahel (vabaliige 0), R2 oli 0.983 ja 0.995 vahel (mõõtesuund oli nadiir).See näitab, et rR(,sky+sun) spektreid saab vägagi usaldusväärselt hinnata, tuginedes vaid ühel lainepikkusel mõõdetud D ja Ed väärtustele. Kui aga merepinna peegeldavad omadused oluliselt erinevad “hariliku” vee omast, siis on vaja teada vastavaid optilisi konstante. See tähendab spetsiaalseid uuringuid veeõitsengute tingimustes ja naftakile puhul lisaks optilistele konstantidele ka andmeid kile paksuse kohta.