Eesti Looduse fotov�istlus
2005/2



   Eesti Looduse
   viktoriin


   Eesti Looduse
   fotovõistlus 2012




   AIANDUS.EE

Eesti Loodus
artiklid EL 2005/2
Kuidas tehiskaaslaste abil veekogusid uuritakse

Inimtegevuse mju looduskeskkonnale vib ilmneda peaaegu kikjal. Puutumata ei ole jnud ka Eesti rannikumeri, lahesopid ja siseveekogud. Seda enam on tekkinud vajadus hinnata nende koloogilist seisundit n.-. kiirmeetoditega. Kaugseire on ks vimalus.

Kes meist poleks selgetel del pdnud taevas silmata langevaid thti ja seejuures mrganud seal aeglaselt liikuvaid tulukesi. Need on Maa tehiskaaslased ehk satelliidid, millelt peegelduvat pikesekiirgust me neme.

Kes meist poleks selgetel del pdnud taevas silmata langevaid thti ja seejuures mrganud seal aeglaselt liikuvaid tulukesi. Need on Maa tehiskaaslased ehk satelliidid, millelt peegelduvat pikesekiirgust me neme.

Satelliitide tpset arvu on tnapeval juba raske kokku lugeda. The Satellite Encyclopedia andmetel tiirles 1997. aastal Maa mber le 25 000 objekti, millest peaaegu 7000 olid orbiidil tkorras ning lejnud vedelesid niisama [3]. htekokku arvatakse Maa-lhedases ruumis olevat umbes 2200 tonni inimeste valmistatud kosmoseaparaate ja nende tkke. Viksem osa sellest kogusest, sjave- ja majandusluure satelliitide krval, on teaduslikke seadmeid kandvad tehiskaaslased. Nendega saab vga edukalt jlgida looduskeskkonda ja inimtegevuse mju keskkonnale. Meetodit, mille alusel kogutakse objekti kohta teavet sellelt peegeldunud vi kiiratud elektromagnetkiirguse abil, nimetatakse kaugseireks ehk kaugsondeerimiseks.

Tenoliselt oleme kik mingil moel tegelnud vee kaugseirega. Niteks kuumal suvepeval Prnu rannas merevett vaadeldes otsustame htkki, et selle soga sisse tna kll ei taha minna. Samas meenutades kas vi postkaardilt nhtud lasuursinist ookeani Prantsuse Rivieras ... Inimsilm ongi meie oma vastuvtja, mis reageerib nhtavale elektromagnetkiirgusele.

Tehnilise kaugseire vanim meetod on aerofotograafia. Kosmosest hakati lesvtteid tegema eelmise sajandi keskel, esmalt kll sjanduseesmrkidel. Ndisaegsete sensoritega on vimalik salvestada multispektraalseid (le kolme spektripiirkonna) digitaalkujutisi. Need tdeldakse ja jdvustatakse tehiskaaslase arvutimlus ning edastatakse maapealsetesse vastuvtujaamadesse. Olenevalt sensori lesannetest vib kasutatav spektripiirkond hlmata peaaegu kogu elektromagnetkiirguse ulatuse: ultraviolettkiirgusest mikrolaineteni.


Miks peaks vett eemalt seirama? Vee hulk, selle ringlus ja kvaliteet on inimesele eluthtsad nii otseselt (joogi- ja tarbevesi) kui ka kaudselt (elukeskkond, ilm, looduskatastroofid). Maa pinnast katab vesi 74%, sellest omakorda 94% on ookeanides. lejnud osa leidub aga mageveena maapinnal vi maa sees, veeauruna hus, kuid ka vihma, lume ja jna [2]. Et veeringet ja sellega seotud nhtusi paremini tunda, on paljudele jgedele paigaldatud veetaseme ja voolukiiruse mtjad; ilmajaamad koguvad andmeid vihma ja lume kohta, tervisekaitse- ja keskkonnateenistused analsivad veeproove. Sellised punktmtmised on kahtlemata olulised.

Siiski pole igalt poolt ja alati vimalik koguda nii palju andmeid, et nende phjal saaks statistiliselt usaldusvrseid tulemusi oluliste hdroloogiliste nitajate kohta, nagu veekogude pindala, loodusvee orgaaniline ja anorgaaniline koostis, veekogude sgavus, veepinna temperatuur, lumega kaetud alade pindala, lume veesisaldus, jvlja pindala, j veesisaldus, pilvisus, sademed, veeaur jms. Seetttu on hakatud ha enam vlja ttama ja arendama vee kaugseire meetodeid. Vaevalt et kaugseire kunagi suudaks asendada maa peal tehtavaid mtmisi, kuid siiski annab see uurimisviis vrtuslikku teavet ulatuslike protsesside ning raskesti ligipsetavate piirkondade kohta.


Vee heledustegur on passiivse ehk looduslikku kiirgust kasutava optilise kaugseire peamine uuritav nitaja. Tavaliselt mdetakse aluspinnalt tagasi hajunud kiirguse hulka ning normitakse see pinnale langeva kiirguse suhtes ja saadakse heledusteguri spekter sensori spektrikanalite alusel.

Mtes veepinna heledusspektrit, tuleb arvestada mitmesuguseid mjutegureid (#1): veekogu phjast vi veekihtidest tagasi hajunud pikesekiirgust, veepinnalt peegeldunud kiirgust, veepinna ja mtesensori vahel olevas atmosfris hajunud kiirgust. Neist ainult esimene annab teavet veekogus olevate optiliselt aktiivsete ainete ja vee lbipaistvuse kohta. Teine, pinnalt peegeldunud kiirgus, vimaldab mrata veepinna omadusi, niteks lainetust vi seda, kas on tekkinud vahtu vi ujub veepinnal hoopis naftalaik. Segavaks teguriks vee omaduste uurimisel osutub veepinna ja mtesensori vahel olevas atmosfris hajutatud kiirgus. Vee vrvust (heledusspektrit) mjutavad ka valgusolud: pilvisus, pikese krgus ja vaatlusnurk.

Kui veepinnale tekkinud vaht ldiselt suurendab vee heledustegurit, siis lainetuse mju on erisugune: paljuski oleneb see tuule kiirusest ja suunast, samuti pikese ja sensori vastastikusest asendist. Veepinnale valgunud li muudab aga nii pinna optilisi omadusi kui ka lainete kuju. Enamikul juhtudel on saastunud vee heledustegur suurem puhta veepinna omast, kuid see erinevus oleneb samuti vaatlussuunast. Seega: kui sensoritel on piisavalt hea ruumiline lahutus ja/vi piirkonda saab jlgida mitme nurga alt, on lireostust vimalik hlpsasti avastada saastunud ja puhta vee heledustegurite erinevuse alusel. Selliseid mtmisi saab teha niteks aktiivse kaugseire meetoditega, kus kasutatav kiirgusallikas on osa mtessteemist (radarsensorid).


Nhtavas ja lhisinfrapunases spektripiirkonnas on vee omadusi kige parem uurida, kuid ka neis vahemikes on vee heledustegur palju viksem kui maapinna, j vi pilvede oma. Tavaliselt on see kuni ks protsent, rmisel juhul vib kndida aga kmne protsendini (#2). Samas tuleb arvestada, et tavalistes tingimustes on peegeldus veepinnalt 24%, atmosfrist tagasi hajunud kiirgus ulatub aga ligikaudu 90%ni sensori mdetud kiirgusest. Seetttu nivadki veekogud satelliidipildil sageli lihtsalt tumedad (#3). J ja lumega kaetud ala on aga kergesti eristatav nii tumeda vee kui ka palja maapinna taustal (#4). Keerulisem on optiliste sensoritega vahet teha pilvedel ja jl (#2).

Vee sgavust mratakse optiliste sensoritega vaid siis, kui vesi on piisavalt lbipaistev. Puhta merevee korral on see vimalik ligikaudu viiekmne meetrini, sogases ja pruunikas vees sellised on suurem osa Eesti jrvi [1] ainult paari meetri ulatuses.

sna thusalt saab kaugseire abil mrata vee pinnakihi temperatuuri (#5). Seda uuritakse infrapunases piirkonnas mdetud signaali jrgi. Siinjuures mjutab tulemust oluliselt atmosfris sisalduv veeaur. Et veeauru mju vhendada, arvutatakse temperatuur vee pinnakihis kahe spektrikanali suhtena. Saadud tulemusi saab edukalt rakendada mereuuringutes, niteks selgitades hoovuste liikumist, aga ka kalade arengu- ja toitumistingimusi. Samuti annab vee pinnakihi temperatuur teavet nii merel oleva ilma kui ka atmosfri dnaamika ning ilmastiku kohta laiemalt.


Vee koostisest oleneb, milline on tagasihajunud kiirguse hulk ja vee spektraalsed omadused. Niteks klma kliimaga Antarktikas vivad jrvede vee omadused olla lhedased destilleeritud veele. Mujal on veekogude vesi aga enamasti lihtsustatult segu eri suurusega osakestest.

Vee molekulid, orgaanilised ja mineraalsed osakesed ning teatud osa vees lahustunud orgaanilistest ainetest neelavad ja hajutavad kiirgust. Elektromagnetkiirguse skaalas on puhta vee nn. lbipaistvuse aken vahemikus 350750 nanomeetrit, mis vastab ligikaudu nhtavale kiirgusele. lejnud osa looduslikust lhilainelisest kiirgusest (2902500 nm), mis on prit Pikeselt, neeldub vees juba mnekmne sentimeetri lbimisel. Samamoodi kui atmosfr hajutab vesi peamiselt lhema lainepikkusega valgust (s.t. violetset ja sinist). Veest tagasi hajunult juabki see vaataja silma vi satelliidi sensorisse: vesi nib sinisena. Eesti kaugseire grand old man akadeemik Juhan Ross on toonud nite, et kui inimsilm oleks tundlik infrapunakiirguse suhtes, siis neksime rohelisi taimi infrapunastena. Puhas vesi oleks siiski sinine, sest tema heledusteguri maksimum asubki nhtava spektri sinises osas.

Mineraalosakesed (savi ja liiv), mis satuvad kallastelt vette vihmaveega vi ka jgede sissevooluga, muudavad vee sogaseks. Seetttu hajub rohkem kiirgust tagasi kogu nhtava spektri ulatuses. Kui aga osakesed on vrvunud (niteks punakas liiv), siis mjutab see omakorda ka vee vrvust.

Veekogu koloogilist seisundit iseloomustab ftoplanktoni ehk vees hljuvate taimsete organismide hulk ja juurdekasv. Taimhljumi pigmendid neelavad kiirgust ainult teatud piirkonnas niteks klorofll a (Chla) 440 nm ja 668 nm , kuid ka hajutavad kiirgust. Puhtas ookeanivees on ftoplankton peamine vee optiliste omaduste kujundaja. Seetttu saab Chla-sisaldust seal vrdlemisi lihtsalt mrata, isegi kui vrtused on vga vikesed: alla 1 mg/m3.

Ftoplanktoni lagunemise ja teiste elusorganismide elutegevuse tagajrjel tekib vees lahustunud orgaaniline aine (huumusaine). Siiski on suurem osa sellest rannikumerre ja jrvedesse kantud hoopis jeveega. Huumusained neelavad kige rohkem valgust spektri sinises osas ja annavad veele kollaka vi isegi pruuni vrvuse: veeoptikud nimetavad lahustunud orgaanilist ainet ka kollaseks aineks. Eriti suur on selle sisaldus jesuudmetes ja kallaste lhedal (#6, #7 ja #8). Tugeva neeldumise tttu on selliste veekogude heledus vike ja spektri maksimum nihutatud pikemate lainepikkuste (s.t punase spektriosa) poole.

Rannikuvees ja jrvedes tuleb suvel sageli ette veeitsenguid. Sel ajal vetud veeproovides vib Chla-sisaldus tunduvalt suureneda, ulatudes isegi kuni 1000 mg/m3 (#9). Kui Lnemeres vohavad sinivetikad, vib neist ja nende jkidest tekkida nii paks kiht, et silmaga vaadates ja ka heledusnitaja poolest meenutab veepind hoopis taimestikuga kaetud maapinda. Sellised vetikakogumid vivad omakorda anda teavet vee liikumise (keerised, hoovused) kohta (#10).


Satelliidipiltide ttlus on omajagu keeruline. Vaistlik tunne, et sinine ookean on puhtam kui sogasevitu Lnemeri, ongi ige. Kuid ka atmosfr nib meile sinine! Vee kaugseirajad murravadki pead, kuidas lbi sgava ja heleda atmosfri mrata suhteliselt vikest vee heledustegurit ja selle muutlikkust.

Kuna veest satelliidisensorini judev signaal on vga nrk, tuleb seda koguda suuremalt alalt. Seetttu on vee kaugseire sensorite (nt. AVHRR, SeaWiFS, MODIS, MERIS) ruumiline lahutus vike, vrreldes teiste sensoritega: piksli ehk vikseima pildielemendi suurus ulatub 0,25 kuni 1,2 kilomeetrini. Eelkige maapinna kaugseireks vljattatud sensoritel on lahutus muutunud aga jrjest paremaks: niteks 1999. aastal startinud Landsat-7 ruumiline lahutus on kuni 15 meetrit, IKONOSel ks meeter ja 2001. aastal kosmosesse saadetud QuickBirdil isegi 61 sentimeetrit. Praegusel ajal ttavad tsiviilkasutuses ka sensorid Hyperion/EO-1 ja Chris/PROBA, mis mdavad kogu spektri 515-nanomeetrise lahutusega nhtavas ja lhisinfrapunases piirkonnas ning salvestavad pildi 1540-meetrise ruumilise lahutusega.

Et saada sobivat tulemust, peab satelliidipilte ttlema mitmes etapis. Esmalt tuleb mdetud signaal siduda geofsikaliste suurustega ehk kujutis kalibreerida, samuti viia vastavusse geograafiliste koordinaatidega (ingl. geolocation geolokatsioon). Seejrel tuleb eemaldada atmosfri mju teha nn. atmosfri korrektsioon. Jrgnev etapp hlmab vajalike nitajate arvutusi, milleks rakendatakse erisuguseid algoritme.

Uuemate sensorite korral tehakse geolokatsioon ja kalibreerimine suurtes andmearhiivides (Goddard Earth Science DAAC, NASA; Earth Observation Help Desk, ESA jt.). Ka andmed atmosfri mju eemaldamise ja veega seotud nitajate kohta on kttesaadavad, niteks SeaWiFSi, MODISe ja MERISe andmepankadest. Siiski on selgunud, et need tulemused pole sageli sobivad rannikuvee ja jrvede uurimiseks.

Atmosfri korrektsiooni puhul on vrdlemisi tpselt teada, kuidas arvestada Rayleighi hajumist ning kiirguse neeldumist atmosfri gaasides. Samas pole htset meetodit, millega krvaldada aerosoolide mju sensori signaalis. Selleks kasutatakse nii mudelarvutusi kui ka maapealseid mtmisi ning hitatakse eri satelliitide andmeid.

Lihtsamaid kaarte vett iseloomustavate nitajate kohta saab klassifitseerimismeetodil, kuid peale selle on veel palju keerukamaid pildittlusviise. Neist ehk kige tavalisem moodus algoritme leida on seotud satelliidipiltide kalibreerimisega maapealsete mtmiste abil. Sel juhul tuleb veeproovid koguda satelliidi lelennuga samal ajal. Korrelatsioonianalsiga leitakse sobivad empiirilised seosed spektrikanalite vi nende suhetega. Paraku on selle meetodi tarvis vajalike andmete kogumine kallis ja aeganudev. Mneti on siin abiks iseseisvad poi- ja ujuvjaamad, mida on hakatud kasutama ha rohkem.


Veekaugseire edeneb tasapisi. Paljud kaugseire meetodid on vlja ttatud maapinna uurimiseks ning neid ei saa nii lihtsalt rakendada veekogude jaoks. Phjus peitub vee vikeses ja suhteliselt vhe muutuvas heleduses (vrvis), mida on sna keeruline mrata: tulemusi mjutab tugevasti kiirguse levik atmosfris. Kuna hoovuste, vee segunemise ja bioloogiliste protsesside tttu muutuvad vee omadused kiiresti, on olulist hetke tabada raske ja seeprast peaks vaatlusi tegema kllaltki sageli. Paljusid veega seotud hdroloogilisi tegureid (phjavesi, veeaur) ei saa otseselt jlgida. Seega on vee kaugseire ks keerukaim, kuid htlasi pnevaim kaugseire liik.

Siiski vimaldavad praegused meetodid kllaltki thusalt uurida ulatuslike ookeanide vett ning kogunenud on suur andmebaas. Mrksa vhem on arenenud aga rannikumere ja siseveekogude kaugseire. Siiski on satelliitide tehnilised omadused (ruumiline ja spektraalne lahutus, tundlikkus) sedavrd paranenud, et neid saaks kasutada ka optiliselt keerulise vee korral. Samuti on ndseks hlpsamini kttesaadavad mteriistad, mille tehnilised omadused, lihtsus, suurus ja ka hind vimaldavad neid kasutada viksematel veekogudel.

Eestis arendatakse ja tiendatakse passiivse kaugseire meetodeid Tartu observatooriumis, Tartu likooli Eesti mereinstituudis ja Tallinna tehnikalikooli meressteemide instituudis. Eesti siseveekogude ja rannikumere vee optiliselt aktiivsete lisandite (hljum, lahustunud orgaaniline aine), vee lbipaistvuse, temperatuuri ja jkatte uuringud annavad olulist teavet nende seisundi ja arengu kohta ning hlbustavad pikaajalist ja mitmeklgset seiretd.



ANU REINART
28/11/2012
26/11/2012
05/10/2012
09/07/2012
26/06/2012
26/06/2012
22/05/2012