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科普影片推荐:The Science of Ocean Colour(海洋水色科学)

2020-09-10

      《The Science of Ocean Colour》(海洋水色科学)是由德国科学家Roland Doerffer教授在欧盟SPICOSA项目(2007-2011)资助下组织拍摄的科普影片,旨在向公众介绍海洋水色科学。原版影片下载地址:http://www.spicosa.eu/setnet/index.htm。

      《海洋水色科学》影片介绍了海洋水色科学的基本原理和典型应用,非常适合从事水色遥感相关研究的初学者观看和学习,也适合对海洋、光学、遥感等领域感兴趣的普通观众观看。不过,影片是英文旁白,没有字幕,其中还有很多专业词汇,对于普通观众可能有一定难度。为了方便大家观看,我们首先给影片加上了英文字幕;然后又把英文字幕翻译成中文,加上了中文字幕。感兴趣的读者,可以在公众号留言栏内回复“中文”或“英文”,就可以收到加了相应字幕的影片下载链接。

      《海洋水色科学》影片主要从海洋光学过程、海洋水面实验、海洋水色卫星三个方面介绍了海洋水色科学的基本原理和典型应用,下面对这三个方面进行简要介绍。


01

海洋光学过程

      影片以动画的形式讲述了太阳光在水中的传输过程。射入海洋的光线包含无数束的光子。光子束属于电磁波,整个光谱范围中只有可见光谱段中的光子能够进入海洋。随着水下深度的增加,可以发现红色、绿色、蓝色光子会依次消失。‍‍‍‍

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光子在水中逐渐衰减的过程(从左至右海水深度依次增加)


     这是因为光子可以被它碰到的水分子吸收,被吸收光子的能量转化成了热能,波长长的 光子如红光子被吸收的可能性更大,因此随着水下深度的增加,红色、绿色、蓝色光子会依次消失。如果海水够清澈的话,只有波长短的蓝光子可以不被吸收进入更深的海中。与水分子发生碰撞但并没有被吸收的光子就会发生散射,导致光子前进方向发生改变。

      向上散射的光子会离开海洋进入传感器或人眼,其中一部分决定了水体的颜色。由于蓝 光子被水分子散射的数目最多,所以清洁水体的颜色表现为蓝色。但是影响水体颜色变化的 物质有很多,如浮游植物可以使水体呈现出绿色(但浮游植物的种类不同,水体呈现的颜色 也不同,如赤潮可以使海水变为红色);悬浮颗粒、可溶性有机物可以使水体的颜色变为绿 色或棕色;有机体或矿物的碎片由于散射作用,可以使水体看起来变得非常亮。不仅是水中的物质可以决定水体的颜色,太阳和天空光是进一步决定海洋颜色的因素,它们会在海水表面发生镜面反射,反射光的强弱取决于角度,我们站到海滩上看到的大部分是反射光线。


02

海洋水面实验

      影片以欧洲北海为研究区,主要讲述了几个海洋水面实验。

      第一个实验是吸收和散射垂直剖面的测量,该实验采集到的水样可以用于分析水中物质组分的浓度。实验使用的仪器包括测量水深、温度和盐度的CTD传感器,测量吸收和散射的传感器和另一个测量后向散射系数的传感器。将仪器放入水中测量水下的垂直剖面并采集水样,完成测量后将仪器拉上甲板,采集到的水样将会被用于了解浮游植物物种、悬浮物浓度测量、确定色素组分等不同的研究。

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海洋剖面测量示意图(左)实验室内悬浮物浓度测量(右)

      第二个实验是水中和水面的光场实验。最早用来确定光线穿透深度的仪器是一个白色的 圆盘——Secchi盘(塞氏盘)。它得名于意大利天文学家 Angelo Secchi,由于便利、低成本和较好的鲁棒性,Secchi盘目前仍被广泛地使用。

       第三个实验是水面光谱反射率的测量,这时需要使用3个光谱探头。一个测量来自水面的辐亮度,一个测量来自天空的辐亮度,还有一个测量水面下行辐照度。

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Secchi 盘示意图(左)水面反射率光谱测量示意图(右)


03

卫星海洋水色遥感

      影片以欧空局发射的ENVISAT卫星为例,讲述了卫星遥感在海洋水色研究方面的应用。

      ENVISAT卫星于2002年3月发射,它是一颗太阳同步轨道卫星,有10个分别针对大气、陆地和海洋的传感器,轨道高度800km,重返周期为3天。MERIS 传感器是10个传感器之一,它是用来观测海洋水色和海洋生物圈的中高光谱分辨率成像仪。MERIS 成像光谱仪的幅宽约为 1200km,空间分辨率为 300m,覆盖光谱范围为 400-1000nm,有15个波段。

      浮游植物是水体的重要组成部分,它可以使水体颜色从蓝到绿变化。反演浮游植物浓度的原理是叶绿素的吸收作用,它造成浮游植物的反射率在蓝光波段高,在绿光波段低。这两个波段处反射率比值 是浮游植物浓度常用的一种测量方法,利用蓝绿波段的比值,可以得到全球叶绿素分布图,进而得到海洋浮游植物的分布。

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基于MERIS反演的全球叶绿素浓度分布图


来源:水环境遥感 公众号