Valtameret peittävät noin kaksi kolmasosaa maapallon pinta-alasta. Meret vaikuttavat myös muihin ekosysteemeihin ja tämän vuoksi merien tutkimuksella on merkitystä muillakin aloilla, esimerkiksi ilmaston tutkimuksessa (Elachi, C., 1987).
Kaukokartoitus on tärkeä apuväline merien tutkimisessa, koska kattavien ja toistettavien mittausten tekeminen näin laajalta alueelta on erittäin kallista ja hankalaa muulla tavoin, esimerkiksi laivoista tai rannikoilta. Kaukokartoituksen avulla suuren tietomäärän kerääminen toistuvasti on mahdollista, toisaalta ilmakehä ja mittauslaitteiden etäisyys kohteesta aiheuttavat ongelmia tarkkuuden ja mitattavien parametrien suhteen.
1.1 Meren soveltuvuus kaukokartoitettavaksi
Merestä voidaan saada suoraa tietoa kaukokartoituksen avulla pinnasta ja sen läheisyydestä. Syy tähän on, etta sähkömagneettiset aallot absorboivuvat veteen voimakkaasti ja lisäksi meren aaltojen aiheuttama sironta on suurta. Välillisesti tietoa saadaan myos syvemmältä, esimerkiksi meren pohjan muodoista (Elachi, C., 1987).
Meristä kaukokartoittamalla saaduista tiedoista voidaan tutkia tuulen nopeutta pinnan läheisyydessä, meren pinnan topografiaa ja aaltojen korkeutta, aaltojen nopeutta, virtauksia, jäätilannetta, meren pinnan lämpotilaa ja biologisen materiaalin määrää.
2 Meren kaukokartoitukseen käytettävät laitteet
Tässä merien kaukokartoitusta lähestytään mittalaitteiden kautta esitellen yleisimmin käytetyt laitteet ja niiden avulla joko suoraan tai välillisesti tutkittavat ominaisuudet.
Yleisimmin merien kartoituksessa käytetaan mikroaaltoja. Mikroaaltojen taajuudella voidaan mittauksia tehdä joko radiometrien avulla (passiivinen) tai tutkilla (aktiivinen). Mikroaaltojen lisäksi käytetään myos Iyhyempiä aallonpituuksia, joista tärkeimmät sijoittuvat näkyvän valon ja infrapunan alueelle.
Mikroaaltojen käytössä saavutetaan tärkeä etu näkyvään valoon verrattuna ilmakehän läpäisyssä. Mikroaallot läpäisevät ilmakehän ja pilvet, mutta näkyvän valon ja infrapunan alueella vain tietyt aallonpituudet pääsevät ilmakehän läpi, kuva 1 (Tares, T., 199 ).
Kuva 1. Sähkömagneettinen spektri ja ilmakehän läpäisykyky (Tares, T., 1994).
2.1 Radiometit
Radiometri mittaa kohteen emittoimaa säteilyä eli kirkkauslämpötilaa. Radiometrien tärkeimmät käyttökohteet ovat napajäätiköiden monitorointi ja lämpötilan mittaus. Radiometrijärjestelmän vaatimattomasta erotuskyvystä (pikselien koko joitakin kilometreja) johtuen tutkimuskohteet ovat yleensa globaalisia.
Terminen emissio meren pinnalta kattaa sähkömagneettisesta spektristä koko alueen infrapunasta mikroaaltoihin. Tämän vuoksi seka infrapunataajuuksilla toimivia mittalaitteita että radiometreja voidaan käyttää lämpötilojen mittaamiseen. Mitattaessa lämpotilaa merenpinnan tasossa radiometrilla mittaus voidaan tehdä pilvien läpi, mikä on etu infrapunamittauksiin verrattuna. Radiometrilla mitatuissa lämpötiloissa on kuitenkin ongelmana erotaa merenpinnan tehollisesta emissoista aallokon, vaahtopäiden ja suolaisuuden vaikutus. Käytännössa mitaukset on onnistuttu tekemään käyttämällä useita kanavia. Esimerkkin lämpötilan mittaamisesta radiometrilla on SEASAT:n ja Nimbus 7:n 5 kanavaisilla radiometreilla tehdyt mittaukset, joista saatiin pinnan lämpötila 12o asteen tarkkuudella (Elachi, C., 1987).
Koska meren lämpötilan mittaus on tarpeellista mm. sääennusteiden tekemistä varten, on kehitetävä uusia tapoja mitata lämpötilaa myös pilvien läpi. Eräs kokeiltu tapa on passiivisten ja aktiivisten mikroaaltoinstrumenttien tulosten yhdistetty tulkinta, josta on jo saatu aikaisempaa tarkempia tuloksia (Vesecky, J. F., 1995).
2.2 Tutkat
Tutkat ovat aktiivisia mittalaitteita, jotka itse lähettävät sähkömagneettista säteilyä, jonka heijastunutta kaikua mitataan.
2.2.1 Altimetrit
Altimetri on korkeutta mittaava tutka. Altimetri lähettää kohteeseen pulssin ja mittaa ajan, joka pulssilta kuluu kulkea kohteeseen ja takaisin. Attimetreja on esimerkiksi GEOS ja SEASAT -satelliiteissa, joissa niitä on käytetty meren pinnan topografian ja keskimääräisen aaltokoon korkeuden kartoittamiseen.
Altimetrin avulla voidaan tutkia meren topografiaa ja pinnan korkeutta, joka muotoutuu Maan painovoimankentän, pyörimistiikkeestä aiheutuvien voimien, virtausten, vuoroveden, tuulten ja ilmanpaineen vaikutuksesta tietylle tasolle. Pinnankorkeuden mittauksiin vaikuttaa myös meren aallokko, jonka vaikutus on poistettava todeltisen korkeuden selvittämiseksi. Altimetria voidaan käyttää myös geoidin eli gravitaatiopotentiaalin sama-arvopinnan mittauksiin.
Altimetrin lähettämän pulssin merestä heijastuneen kaiun muoto riippuu merenpinnan paikallisista topografian vaihteluista eli aallokon koosta. Kuvassa 2 on esitetty lähetetyn pulssin ja vastaanotetun kaiun muoto tyynesta vedestä, hieman aaltokkoisesta pinnasta ja rajusta aallokosta heijastuneena. Pulssista saadun levinneen kaiun nousuaika (etureunan) on verrannollinen keskimääräiseen aaltokon korkeuteen. Aallokon korkeudesta saadun tiedon avulta voidaan aallokon vaikutus meren pinnan korkeuteen poistaa ja laskea keskimääräinen meren pinnan taso (Elachi, C., 1987).
Altimetria voidaan käyttää myös tuulen nopeuden mittaamiseen meren pinnan läheltä. Tuulen nopeuden kasvaessa aallokko muuttuu rajummaksi ja altimetrin pulssin kaiku heikkenee, koska heijastuspinta ei ole enää tasainen ja kohtisuorassa. Näin altimetrin kauin amplitudista voidaan laskea tuulen nopeus. Saadun tuulen nopeuden tarkkuus on noin 2 m/s.
2.2.2 Sirontamittarit
Sirontamittari lähettää kohteeseen säteilyä ja mittaa kohteesta takaisin siroavaa tehoa. Lähetetyn ja vastaanotetun kentän tehon suhteesta voidaan kohteelle määrittää ns. sirontakerroin, joka sisältää informaatiota kohteen sähköisistä ja geometrisista ominaisuuksista. Jos laite mittaa tehoa eri polarisaatioilla ja lisäksi eri polarisaatioiden välisen vaihe-eron, saadaan kohteen ominaisuuksista tarkempaa tietoa. Tällaista sirontamittaria sanotaan polarimetriksi (Tares, T., 1994).
Kuva 2. Altimetrin pulssin ja vastaanotetun kaiun muoto b) tyynestä veden pinnasta, c) aallokkoisesta pinnasta ja d) hyvin aallokkoisesta pinnasta heijastuneena (Elachi, C., 1987).
Myös sirontamittarin avulla voidaan mitata tuulen nopeutta meren pinnan lähellä. Sirontamittaus on yleisemmin käytetty menetelmä tuulen nopeuden mittauksessa, koska saatu spatiaalinen resoluutio on parempi ja myös tuulen nopeus on mahdollista mitata tarkemmin. Sirontamittarin avulla on mahdollista saada tietoa myos tuulen suunnasta, jos mittaukset on mahdollista toteuttaa kahdessa toisiaan vastaan ortogonaalisessa suunnassa. Tuulen nopeuden kasvaessa aallokko kasvaa ja takaisin siroavan säteilyn määrä pienenee. Esimerkiksi SEASAT -satelliitissa olevaa sirontamittaria on käytetty juuri tuulen nopeuksien määrittelyyn, jolloin on saavutettu tarkkuus 0,5 m/s (Elachi, C., 1987).
2.2.3 Kuvaavat tutkat, SAR
Kuvaavat tutkat ovat käyttökelpoisimpia laitteita, joilla meriä kartoitetaan satelliiteista. Kuvaavalla tutkalla tarkoitetaan tutkaa, jolla on hyvä alueellinen erotuskyky (pikselin koko joitakin kymmeniä metrejä), ja joka tuottaa kuvaa. Muodostettavalla kuvalla tietyn kuva-alkion kirkkaus on verrannollinen vastaavan alueen aiheuttaman sironnan voimakkuuteen. Kuvaavat tutkat toimivat yleisimmin 1 Ghz (lambda=30cm) ja 15 Ghz (lambda=2 cm) välillä.
Kuvaavat tutkat jaetaan signaalin käsittelyn perusteella reaalisen apertuurin ja synteettisen apertuurin (SAR) tutkiin. Reaalisen apertuurin tutkissa tarkastellaan antennin valaisualueelta eri ajanhetkinä sironneiden signaalien voimakkuuksia. Synteettisen apertuurin tutkissa rekisteröidään lisäksi jokaisen lähetetyn ja vastaanotetun signaalin amplitudi ja vaihe, jolloin tutkan erotuskyky lentosuunnassa on mahdollista saada hyväksi. Satelliiteissa käytetyt laitteet ovat SAR:ja (Tares, T., 1994)
Kuvaavien tutkien avulla saadaan tietoa meren pinnan aallokosta, pyörteistä, virtauksista, jäätilanteesta, meren pohjan muodoista ja ympäristötuhoista (Alpers, W., 1994). Kuvaavia tutkia käytetään laajasti merien tutkimuksessa, esimerkkinä niiden käytöstä NASA:n saksalaisten ja italialaisten kanssa yhteistyössä kehittämä kolmella taajuusalueella toimiva kuvaava tutka SIR-C/X-SAR.
2.2.3.1 SIR-C/X-SAR
Vuonna 1994 tehtiin kaksi sukkulalentoa, joilla oli mukana SIR-C/X-SAR -kuvaava tutka, jolla tutkittiin globaalisia ympäristön muutoksia ja tutkan mahdollisuuksia hankkia informaatiota maan ja meren pinnasta. SIR-C/X-SAR on lyhennelmä nimestä The Spaceborne Imaging Radar-C, X-Band Synthetic Aperture Radar. Laite tuottaa digitaalista kuvaa kolmelta aallonpituusalueelta; L: lambda= 24 cm, C: lambda= 6 cm, X: lambda= 3 cm.
Lennoilta saatiin aikaisempaa tarkempaa tietoa meren pintaosista ja aallokosta. Lentojen tuloksena saatiin informaatiota, joka oli kuvattu monikanavaisena ja eri polarisaatioilla, joka mahdollisti merien dynaamisien prosessien tutkimisen. Ennen lentoja tärkeimmiksi teemoiksi merentutkimuksen alueella oli annettu aaltojen ja virtausten yhteisvaikutuksen tutkiminen, pienten (joitakin metrejä) ja suurten meren pintaa muokkavien syysteemien monitorointi ja veden ja ilman rajapinnan tutkiminen. Lisäksi lennoilta saaduilta kuvilta voitiin helposti paikantaa ympäristönmuutoksia, kuten esimerkiksi saastelauttojen leviämistä meressä.
Esimerkkin otetuista kuvista ja saaduista tuloksista X-kanavan tutkakuva Golf- virrasta, kuva 3. Kuva on otettu 14.4.1994 Golf-virran pohjoisreunalta. Kuvan keskellä näkyy vaaleampi alue, jossa on lämmintä vettä (14 oC) ja reunoilla tummempi alue kylmaa vetta (6 oC). Lämrnin vesi on kuvassa vaaleampaa suuremman sironnan takia, joka johtuu veden ja ilman rajanpinnan ominaisuuksista veden ollessa ilmaa lämpimämpää (Alpers, W., Holt, B., 1995).
Kuva 3. X-alueelta otettu kuva Golf-virrasta (Alpers, W., Holt, B., 1995).
2.3 Näkyvän valon ja infrapuna-alueen laitteet
Näkyvän valon alueella toimivat mittalaitteet ovat yleensä pasiivisia ja niillä on hyvä resoluutio. Pinnan kuvaaminen muutamien kymmenien metrien spatiaalisella resoluutiolla mahdollistaa planktonin, vedessä olevien kiinteiden aineiden (esimerkiksi sedimenttien), merivirtojen reunojen ja aaltomuotojen tutkimiseen. Planktoneista voidaan tutkia niiden esiintymistä, koostumusta, määrää ja dynaamista käyttäytymistä.
Infrapuna-alueella toimivien laitteiden käyttö keskittyy lämpötilojen tutkimiseen. Radiometrien kohdalla lämpötilan mittaamisen meren pinnasta todettiin olevan mahdollista seka infrapuna- että mikroaaloilla. Paras aallonpituus mittauksille olisi noin 10 µm IR-alueella. Yleensä mittauksissa käytetään useita taajuuksia ja tulokset on mahdollista saada noin kilometrin spatiaalisella resoluutiolla ja jopa 0,1 K tarkkuudella (Elachi, C., 1987).
Näkyvän valon ja infrapunan alueella satelliiteissa käytetään tavallisimmin keilaimia, erityisesti monikanavaisia keilaimia eli spektrometreja. Esimerkkeinä monikanavaisista keilaimista Landsat:n TM (Thematic Mapper), jossa on 7 kaistaa (3 näkyvän valon, 3 infrapunan ja yksi lämpöinfrapuna-alueella, erotuskyky 30 m) ja MSS (Multispectral scanner), jossa on 4 kanavaa (kaksi sekä näkyvän valon, että infrapunan alueella) ja erotuskyky maanpinnalla 79 m. Ranskalaisen SPOT-satelliitin monikanavainen keilain kykenee Landsat:ia parempaan resoluutioon eli jopa 10 m erotuskykyyn maanpinnalla (Tares, T., 1994).