Twoja wyszukiwarka

SŁAWOMIR SWERPEL
OCEAN WIDZIANY Z KOSMOSU
Wiedza i Życie nr 9/1997
Artykuł pochodzi z "Wiedzy i Życia" nr 9/1997

STATKI BADAWCZE NIE WYSTARCZĄ, BY POZNAĆ WIĘKSZOŚĆ PROCESÓW ZACHODZĄCYCH W ŚRODOWISKU MORSKIM. NOWE MOŻLIWOŚCI POJAWIŁY SIĘ WRAZ Z WYSTRZELENIEM PIERWSZEGO SATELITY.

Nowoczesny statek, płynący z prędkością kilkunastu węzłów i wykonujący pomiary, dotrze na drugą stronę Oceanu Spokojnego po ponad dwumiesięcznym rejsie. W tym czasie oceaniczny system wielokrotnie ulegnie zmianom. Badania wykonane wzdłuż jednego profilu dostarczą niewielu informacji o tym, co dzieje się 50 km dalej na północ lub południe od trasy rejsu. Cała światowa flotylla badawcza mogłaby spenetrować zaledwie niewielki skrawek jednego oceanu. Koszty takiej ekspedycji byłyby niewiarygodnie wysokie.

Woda w oceanach ma różne barwy (...). Widzialność mórz jest lepsza niż oceanów. Dobrze widać lody Antarktyki i Grenlandii... relacjonował w 1963 roku Walery Bykowski z pokładu Wostoka-5.Obraz Ziemi oglądany gołym okiem dostarczał wielu niezwykłych informacji. Wkrótce miała nastąpić rewolucja w możliwościach obserwacji oceanów.

W kilka lat później rozpoczęły się systematyczne satelitarne obserwacje lodu morskiego. Jeden z największych programów badawczych został przygotowany przez NASA w 1973 roku. Trwał 15 lat. Wykorzystano w nim satelity z serii Landsat i Nimbus. Na ich pokładzie zainstalowano radiometry odbierające promieniowanie morza w zakresie mikrofalowym. W tym bowiem paśmie widma występuje wyraźna różnica między promieniowaniem powierzchni morza i lodu morskiego. Wyniki były zaskakujące. Okazało się, że pokrywa lodowa Arktyki zajmuje dużo mniejszą powierzchnię latem niż zimą, a różnice sięgają 50%. Odkryto rejony, w których ten proces jest niezwykle dynamiczny (patrz: Lodowe serce Ziemi, "WiŻ" nr 2/1995), stanowiąc jeden z motorów wielkich klimatycznych zmian zachodzących na Ziemi.

Dane z satelity mogą być użyteczne w szybkim przeprowadzaniu konwojów statków tzw. Przejściem Północno-Wschodnim, czyli najkrótszą drogą morską łączącą Europę z Dalekim Wschodem. Po zmianie sytuacji politycznej kraje europejskie, a zwłaszcza Norwegia, są zainteresowane uruchomieniem stałego połączenia. Już obecnie droga ta spowodowała ożywienie gospodarcze całego północnego regionu. Dzięki niej w najbliższej przyszłości Murmańsk stanie się największym przeładunkowym portem Rosji. Analiza zdjęć satelitarnych ukazujących lodowe połacie polarnych wód pozwoliła określić rozmiary jeszcze jednego, niezwykłego zjawiska.

Nimbus po raz pierwszy został wprowadzony na orbitę okołoziemską w 1964 roku, ale szczególne znaczenie miało wystrzelenie w 1978 roku satelity Nimbus-7. Był to wielki krok w przygotowywanym programie badawczym: Misji do Planety Ziemia. Na jego pokładzie zainstalowano m.in. czujnik barwy wód strefy brzegowej umożliwiający oszacowanie produkcji pierwotnej w postaci zakwitów planktonu. Po prawie dziesięciu latach obserwacji okazało się, że produkcja pierwotna ma największe rozmiary latem w wodach sięgających od Arktyki po strefę umiarkowaną (patrz: Oceany zimne, oceany ciepłe, "WiŻ" nr 1/1997).

Powstała teoria głosząca, że roślinny plankton mórz arktycznych jest jednym z głównych regulatorów ziemskiego klimatu. Te mikroskopijne organizmy wiążą CO2 w procesie fotosyntezy. Ich obumarłe szczątki opadają na dno i w ten sposób olbrzymie ilości węgla są magazynowane w oceanie. Gdyby nie ten proces, ilość CO2 w atmosferze byłaby prawdopodobnie trzykrotnie większa. Zdjęcia satelitarne ujawniły jeszcze jeden szczególnie produktywny obszar - przybrzeżne rejony mórz. Masowe zakwity planktonu są tutaj spowodowane nadmierną żyznością wód wywołaną przez zanieczyszczenia - materię organiczną i biogeny - spływające do morza z lądu.

Szczególnie niebezpieczne są zakwity planktonowych sinic i bruzdnic. Produkują one niebezpieczne toksyny atakujące drogi oddechowe i przewód pokarmowy. Jeden z największych zarejestrowanych przez satelitę bałtyckich zakwitów wystąpił w Skagerraku, Kattegacie i sąsiadujących z tymi cieśninami wodach w maju 1988 roku. Na znacznych obszarach obumierała fauna denna, ginęły foki i ryby. Podczas parowania morza toksyny przenosiły się również do powietrza, powodując choroby wśród zwierząt gospodarskich.

Linia brzegowa stała się ostatnio przedmiotem intensywnych badań prowadzonych w Ośrodku Zdjęć Satelitarnych Uniwersytetu Szczecińskiego. Strefę brzegową morza "barwi" na zdjęciach satelitarnych nie tylko plankton. Obraz urozmaica także niesiona przybrzeżnymi prądami martwa materia organiczna, jak również mineralna zawiesina oraz ukształtowanie dna na przybrzeżnych płyciznach.

Odkryto ciekawą prawidłowość. Okazuje się, że wzdłuż linii brzegowej znajdują się rejony, w których zmienia się ona szczególnie intensywnie. Według dr. Kazimierza Furmańczyka występują one mniej więcej co 3 do 5 kilometrów. W tych rejonach morze nieustannie niszczy brzeg, pomiędzy nimi zaś linia brzegowa jest bardziej stabilna. Dalsza analiza zdjęć pozwoliła określić jedną z prawdopodobnych przyczyn tego zjawiska - sposób, w jaki woda przemieszcza materiał brzegowy. Zwykle nie jest to jednolity strumień, ale dobrze widoczne na zdjęciach satelitarnych wodne zawirowania występujące wzdłuż brzegu morskiego.

Stacja Odbioru Zdjęć Satelitarnych Uniwersytetu Szczecińskiego jest jednym z nielicznych tego typu ośrodków w naszym kraju. Prowadzone przez naukowców badania dotyczą przede wszystkim zjawisk oraz procesów występujących w strefie brzegowej morza

Zdjęcia satelitarne wykonywane w podczerwieni dostarczają wielu informacji o temperaturze wód morskich. Mówią o energetycznej i gazowej wymianie między morzem a atmosferą, będącej jednym z głównych instrumentów w wielkiej symfonii klimatycznych zaburzeń. Ukazują dynamikę mas wodnych, przebieg prądów i frontów oceanicznych. Zdjęcia te zmieniły wiele ugruntowanych poglądów o funkcjonowaniu oceanów. Tak było w przypadku Prądu Zatokowego.

Poczta morska między Starym a Nowym Światem została uruchomiona w XVIII wieku. Przewożono ją na statkach kursujących przez Atlantyk, a skrócenie czasu rejsu uzyskano dzięki wykorzystaniu prądów morskich. Na podstawie ówczesnej wiedzy Benjamin Franklin przygotował na potrzeby tej poczty mapę Prądu Zatokowego. Jego szkic strumienia ciepłych wód umieszczano w podręcznikach szkolnych jeszcze w drugiej połowie XX wieku. Nieznaczne poprawki naniesiono podczas wielkich ekspedycji lat sześćdziesiątych, które odkryły meandry prądu. Ale dopiero czujniki podczerwieni, umieszczone na satelitach, pomogły dokładnie prześledzić ciepłe i zimne wiry odrywające się od jego strumienia i wędrujące w przeciwnych kierunkach.

Zdjęcia wykonane w podczerwieni przyniosły wiele innych zaskakujących odkryć. Analiza zdjęć z TIROSA wykonanych w latach 1982-1992 ujawniła stopniowy wzrost temperatury najcieplejszego basenu wszechoceanu i zmian jego położenia (patrz: Satelity przeglądają się w wodzie, "WiŻ" nr 5/1993). Owa "ciepła sadzawka" wiąże się ze zjawiskiem nazywanym El Ni =====----------===== o. El Ni =====----------===== o to kolejny przykład tego, jak poszukiwania metod przewidywania katastrof doprowadziły do rozwoju satelitarnych technik pomiarowych i rewolucji monitoringu ziemskiego środowiska z kosmosu.

Obraz rozkładu prądów morskich widoczny dzięki zjawisku zakwitu fitoplanktonu oraz rozmieszczeniu zanieczyszczeń w okolicach portów: Gdańsk, Gdynia i Bałtijsk zarejestrowany przez satelitę Landsat MSS, 8.07.1991 roku

Ale wróćmy na chwilę do historii badań nad El Ni =====----------===== o. Powoduje ono okresowe zmiany w układzie wiatrów i prądów oraz przemieszczanie się ciepłych wód wzdłuż równika poprzez oceany Indyjski i Spokojny. Towarzyszą mu niespotykane susze w Australii i Afryce, gwałtowne opady w Ameryce Południowej, sztormy i huragany w Stanach Zjednoczonych oraz zaburzenia klimatu w Europie (patrz: El Ni =====----------===== o - dzieciątko ziemskiego klimatu, "WiŻ" nr 12/1993).

W 1982 roku El Ni =====----------===== o uderzyło znienacka. Straty materialne i ofiary w ludziach były tak duże, że postanowiono opracować system jego przewidywania. Zdjęcia satelitarne dawały obraz zmian położenia plamy ciepłych wód powierzchniowych. Jednak, aby przewidzieć jej rozwój i szybkość przemieszczania się, trzeba było znać rozkład prędkości i kierunków prądów morskich. A o nich "mówiło" nachylenie powierzchni morza. Jak ją jednak zmierzyć, skoro wynik należało podać z dokładnością do kilku centymetrów?

Pierwszą, niezbyt jeszcze precyzyjną mapę topograficzną powierzchni wielu rejonów oceanu sporządzono na podstawie danych dostarczonych przez altimetr radiolokacyjny zainstalowany w 1973 roku na pokładzie orbitalnej stacji Skylab. Okazało się, że nawet uśredniona powierzchnia otwartego oceanu nie jest gładka i istnieją na niej potężne depresje. Występowały one nad rowami oceanicznymi, a zmiany poziomu w rejonie Rowu Puerto Rico dochodziły aż do 15 m.

Dla obserwatora z kosmosu Ziemia ma kształt zbliżony do geoidy.
W powierzchni mórz i oceanów znajdują się nierówności wywołane m.in. przyciąganiem Księżyca oraz zmianami rozkładu wyżów i niżów. Rejestrowanie tego odchylenia umożliwiłoby obliczanie przepływu mas wodnych, a w efekcie także prognozowanie zmian klimatycznych zachodzących na naszym globie.

Morze Grenlandzkie i Morze Barentsa 19 czerwca 1993 roku, późnym popołudniem. Obszar zaczerniony to powierzchnia pokryta lodem morskim "widziana" przez mikrofalowy radiometr SSM/I z pokładu satelitów z serii DMSP. Dane z innego urządzenia - zwanego AMI zainstalowanego na satelitach ERS-1 i ERS-2 - pozwalają określać kierunek i prędkość wiatru wiejącego nad morzem (strzałki na mapie), wysokość tzw. fal znaczących, zasięg lodu morskiego, a także odróżnienie lodu jednorocznego od wieloletniego. Charakterystyczne ścieżki (na rysunku widzimy fragmenty czterech z nich otrzymane w czasie kolejnych przelotów satelity ERS-1) odpowiadają pasowi szerokości około 500 km (opr. A. Krężel, Uniwersytet Gdański)

Wyniki te interesowały także Marynarkę Stanów Zjednoczonych. Dawały szansę na zwiększenie celności rakiet wystrzeliwanych z łodzi podwodnych. W 1985 roku na orbicie znalazł się satelita Geosat z zainstalowanym na pokładzie altimetrem określającym odchylenia kształtu powierzchni geoidy. Chociaż badania te miały charakter militarny, naukowcy postanowili wykorzystać dane w bardziej pokojowym celu. Jednym z kierujących analizą danych był wówczas prof. Carl Wunsch z Massachusetts Institute of Technology. Porównano dane altimetryczne z satelity z danymi o zmianach poziomu morza otrzymanymi z sieci czujników zainstalowanych w różnych punktach dna oceanu i uzyskano bardzo dobrą korelację. Satelita przekazywał bieżący obraz powierzchni geoidy. Chwilowe zmiany kształtu powierzchni morza mierzono z dokładnością do dziesięciu centymetrów. Był to niezwykły postęp w badaniach globalnej cyrkulacji oceanu i przewidywaniu gwałtownych zmian klimatycznych.

Prognoza opracowana na podstawie tych danych była strzałem w dziesiątkę. Uderzenie El Ni =====----------===== o w 1991 roku udało się przewidzieć na kilka miesięcy wcześniej. Carl Wunsch wiązał więc z nowymi wynikami wielkie nadzieje. Pojawiała się szansa, o jakiej nikt przedtem nawet nie marzył. Gdyby udało się jeszcze udoskonalić dokładność pomiarów poziomu morza co do centymetra, można by dzięki altimetrii satelitarnej badać, na przykład, efekt cieplarniany!

Carl Wunsch rozpoczął starania o zrealizowanie projektowanego od paru lat niezwykłego programu.

Nadano mu podwójna nazwę, gdyż w przedsięwzięcie to zaangażowały się dwa kraje. Amerykanie nazwali je TOPEX (Topography Experiment), Francuzi zaś Poseidon. Przygotowania do projektu zaczęto jeszcze w 1980 roku. Miał to być pierwszy satelita zaprojektowany specjalnie do określania oceanicznej cyrkulacji i jej zmian w czasie. Na jego pokładzie umieszczono wiele nowatorskich urządzeń. Był tam amerykański altimetr radarowy, mający zapewnić dokładność pomiaru do 1 centymetra. Francuzi zainstalowali altimetr próbny z myślą o misjach kosmicznych w XXI wieku. Specjalny system typu tracking miał usunąć trudności w precyzyjnym wyznaczaniu promienia orbity. Trzeba było określić go z dokładnością równą pomiarom zmian poziomu morza.

Dzięki misji TOPEX/Poseidon będziemy mieli mapy powierzchni oceanu już nie co trzy miesiące, ale co tydzień - pisał prof. Carl Wunsch. Satelita został wyniesiony na orbitę przez francuską rakietę w 1992 roku. Misja miała trwać minimum trzy lata. Już pierwszy rok przyniósł obiecujące wyniki. Podobnie jak satelity Seasat oraz Geosat, TOPEX/Poseidon był bardzo pomocny w badaniu pływów. Zebrane dane użyto w modelach numerycznych stosowanych w geodezji, geofizyce czy oceanografii - na przykład w pracach nad problemami dynamiki morza w obszarach brzegowych i szelfu kontynentalnego. Już po pierwszym roku zbierania danych w Instytucie Mechaniki w Grenoble, zaczęto prognozować pływy na otwartym oceanie z dokładnością do 2-3 cm.

Obraz termiczny fragmentu południowego Bałtyku sporządzony na podstawie radiometru AVHRR zarejestrowany z satelity NOAA 7, 7.06.1982 roku o godz. 13:32 czasu uniwersalnego. Wąskie pasy wody o niskiej temperaturze (kolor szafirowy) widoczne wzdłuż wybrzeży Łotwy, Litwy, Rosji i Polski są wynikiem wystąpienia zjawiska tzw. wynoszenia przybrzeżnego. W efekcie tego woda z głębszych warstw morza jest "zasysana" na powierzchnię. W ciepłej porze roku bywa ona chłodniejsza nawet o 10oC od powierzchniowej. W rejonie polskiego wybrzeża zjawisko to występuje przez ponad 2.5 miesiąca w ciągu roku (opr. A. Krężel, Uniwersytet Gdański)

Dane okazały się także pomocne w przewidywaniu niektórych niebezpiecznych zjawisk, jak powstawanie i wędrówka wirów oceanicznych w Zatoce Meksykańskiej. Stwarzają one często nieoczekiwane trudności i straty podczas eksploatacji ropy naftowej w tamtych rejonach. Jednak największym dotychczasowym sukcesem misji TOPEX/Poseidon było dostarczenie danych potwierdzających globalne zmiany poziomu morza wywołane m.in. efektem cieplarnianym. Jednakże na ostateczne wnioski jest jeszcze za wcześnie. Z dotychczasowych danych wynika, że poziom oceanu podnosi się szybciej: o 3.9 mm rocznie, a nie jak sądzono od 1.7 do 2.4 mm.

Najbliższe lata pewnie przyniosą nowe sensacyjne odkrycia. Przed badaczami oceanów następne zadanie - sprzężenie obserwacji satelitarnych ze stałym, automatycznym sondowaniem oceanicznych głębin za pomocą tak niezwykłych technik, jak na przykład tomografia akustyczna. Czy narodziny GOOS - Systemu Obserwacji Wszechoceanu - nastąpią jeszcze w tym wieku?

Zdjęcia: archiwum autora

SŁAWOMIR SWERPEL, klimatolog, uczestniczy w badaniach środowiska morskiego.