Stejně jako její ostatní „sourozenci“ z programu Earth Explorer, i evropská družice EarthCARE (Earth, Cloud, Aerosol and Radiation Explorer ) od evropské a japonské kosmické agentury posílá data, která dalece přesahují původní požadavky. Díky chytrému zpracování atmosférických lidarových dat mohou vědci měřit různé typy povrchů pevniny a oceánů – včetně sněhu, ledu, vegetace a dokonce i chlorofylu mořského fytoplanktonu. Taková měření nám mohou pomoci sledovat stav globálních ekosystémů. EarthCARE spolehlivě zajišťuje dodávky nových pozorování oblačnosti, aerosolů a záření, čímž pomáhá vědcům lépe pochopit vzájemné interakce těchto faktorů.

Asi nejpokročilejším ze čtyř palubních přístrojů, je atmosférický lidar ATLID. Vysíláním pulsů polarizovaného ultrafialového záření do zemské atmosféry a detekcí toho, co se z nich do přístroje vrátí, rozděluje zpětný odraz na molekulární (Rayleighův) a souběžně a křížově polarizované částicové složky. Molekulární Rayleighův rozptyl slunečního světla molekulami plynů v atmosféře má na svědomí, že vidíme modrou oblohu, protože kratší vlnové délky modrého světla se rozptylují mnohem silněji než delší (červenější) vlnové délky. Mieův (částicový) rozptyl, ke kterému dochází při interakci světla s většími atmosférickými částicemi, jako jsou kapky vody nebo ledové krystaly, je příčinou bílé nebo šedé barvy mraků, protože částicový rozptyl není tak závislý na vlnové délce světla. Dále, kvůli velmi rozdílným a náhodným tepelným pohybům atmosférických molekul a částic mají Mieův a Rayleighův rozptyl také odlišné jemné spektrální znaky. Toho ATLID využívá s pomocí techniky HSRL (High Spectral Resolution Lidar), která odděluje Rayleighovy a Meiovy signály. Kombinací obou kanálů ATLID poskytuje citlivá a přesná měření vlastností atmosférických aerosolů jako je prach, či saze, ale i částice v mracích.

Ačkoliv byl ATLID navržen pro studium atmosféry, nabízí jedinečný vhled i do širších souvislostí mimo aerosoly a mraky. Měří také světlo vracející se od zemského povrchu. Tento přístup, který byl poprvé prozkoumán pomocí lidarových UV signálů odražených od povrchu v rámci mise Aeolus, nyní otevírá dveře novým aplikacím na souši i na moři.

Jak ale EarthCARE rozlišuje jednotlivé povrchy? Poměr mezi křížově a souběžně polarizovanými částicovými signály se označuje jako depolarizační poměr. Tato hodnota ukazuje, jak moc je odražené laserové záření rozmíchané a rozhozené. Nízké hodnoty znamenají, že polarizace světla zůstala z většiny nezměněná, což bývá typické pro vodní hladinu bez vln. Střední hodnoty indikují odraz od hrubějšího terénu, zatímco vysoké hodnoty naznačují povrchy jako je sníh, či led (včetně mořského). Tím je umožněno hladké odlišení oceánu, pevniny, ledu a sněhu. Na přiloženém obrázku je vyobrazena depolarizace v listopadu 2024. Vidíme zde vysoké hodnoty depolarizace způsobené sněhem a ledem (modře) ve vztahu ke středním hodnotám nad pevninami a tmavě hnědými hodnotami v oceánu.

Pokud bychom se zaměřili na hodnoty depolarizace nad pevninou (0 – 0,4), můžeme vidět, že oblasti s velkými deštnými pralesy (jako je Jižní Amerika, Kongo, či jihovýchodní Asie) mají poměrně nízké hodnoty depolarizace, zatímco pouště a stepi vykazují relativně vysoké hodnoty depolarizace (světle modrá). Tento vzor je potvrzen při porovnání s indexem normalizovaných rozdílů vegetace NDVI (Normalised Difference Vegetation Index), který měří zelenost vegetace s využitím rozdílů mezi blízkým infračerveným zářením (které je vegetací silně odráženo) a červeným světlem (které vegetace pohlcuje). Vysoké hodnoty NDVI značí hustou, zdravou vegetaci, zatímco nízké hodnoty NDVI značí holou půdu, či vodní plochu a řídkou vegetaci. Na dalším obrázku jsou nahoře zobrazeny údaje o povrchové depolarizaci z ATLID a níže vidíme index NDVI odvozený z přístroje MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer) nadružici Aqua z listopadu 2024. Povšimněte si, že barevná škála NDVI je obrácená, aby odrážela antikorelaci s hodnotami depolarizace.

ATLID je inovativní tím, že dokáže zaznamenávat i odrazy od povrchu v křížově polarizovaných Mieově a Rayleighově kanálu. Integrovaný signál Rayleighova zpětného rozptylu oceánu proto obsahuje střípky z podpovrchové vody, které jsou zeslabovány pigmenty fytoplanktonu a zbarvenými detritickými látkami (například mrtvým planktonem) a rozpuštěnými látkami (včetně organických sloučenin, jako jsou bílkoviny a tuky). Izolací Rayleighovy složky povrchového echa a korekcí atmosférického útlumu (atmospheric attenuation), odvozeného z kopolárních Mieových signálů, lze zjistit koncentrace chlorofylu. Je to proto, že chlorofyl je barvivo, které umožňuje oceánským mikroorganismům jako jsou řasy, či cyanobakterie využívat světlo k výrobě cukrů. Jde o základní produkční mechanismus, který pohání potravní síť celé Zeměkoule. Ačkoliv rostliny a řasy využívají k tvorbě cukrů červené i modré světlo, pohlcují také část ultrafialového záření, které používá ATLID na EarthCARE.

Schopnost měřit chlorofyl z oběžné dráhy je velmi užitečná pro monitorování zdraví oceánských ekosystémů, které jsou základem života na Zemi, který známe. Nejenže představují velkou zásobárnu uhlíku, ale fytoplankton produkuje něco mezi polovinou a třemi čtvrtinami veškerého kyslíku, který dýcháme. Výkonnost měření chlorofylu odvozeného z ATLID je hodnocena porovnáním se zavedenými družicovými produkty z přístroje MODIS na družici Aqua a OLCI (Ocean and Land Colour Instrument) na družicích Sentinel-3, ale také reanalýzou Copernicus Marine Service (CMEMS). Na obrázku jsou integrované povrchové odrazy porovnány s koncentrací chlorofylu a získanou pomocí dat z družice Sentinel-3A z listopadu 2024.

První výsledky jsou velmi slibné. Zdá se, že ATLID je schopen zaznamenat velkoformátové útvary chlorofylu v otevřeném oceánu. Důležité je, že tento přístroj zaznamenává chlorofyl i ve vyšších zeměpisných šířkách, či v průběhu noci, s čímž mívají pasivní senzory problém. To je důkaz, že lidar může rozšířit možnosti pozorování barev oceánů. Klíčovou výhodou přístroje ATLID je, že jeho kopolární Mieovy povrchové odrazy poskytují simultánní odhady integrovaného aerosolu a oblačnosti, které lze přímo použít k opravě povrchového Rayleighova signálu pro atmosférické útlumy. Kromě toho poměr depolarizace povrchu odvozený z měření ATLID umožňuje spolehlivé rozlišení oceánu od povrchu mořského ledu, čímž se zajišťuje, že získávání chlorofylu je omezeno na podmínky volné hladiny. Společně tyto funkce poskytují nový způsob založený na lidaru pro zkoumání barvy oceánu a dálkového průzkumu Země z kosmického prostoru.

Záznamy o chlorofylu, společně s údaji o povrchové depolarizaci z lidaru, které detekují sníh, led a povrch pevnin, mohou být využity ke zlepšení odhadů o odrazivosti (albedu) pevnin i oceánů. Tato měření mohou poskytnout přesnější podklady pro budoucí studie EarthCARE Level 2. „Odrazy od povrchu z ATLID – korigované o útlum aerosolů pomocí informací o kopolárních Mieových rozptylech – poskytují novou a jedinečnou metodu pro globální získávání údajů o chlorofylu,“ říká Gerd-Jan van Zadelhoff z KNMI a dodává: „Tato první demonstrace ukazuje potenciál atmosférického lidaru jako doplňku zavedených produktů pro měření barvy oceánu, které jsou užitečným nástrojem pro monitorování zdraví našich kriticky důležitých oceánských ekosystémů. Důležité je, že protože ATLID je aktivní senzor, můžeme detekovat povrchové signály i v nočních podmínkách a dokonce i během polární noci, což nám umožňuje skutečně globální a nepřetržité pokrytí.“

Přeloženo z:
https://earth.esa.int/

Zdroje obrázků:
https://earth.esa.int/eogateway/documents/20142/1899021/EarthCARE-mission-1920×1080.jpg/
https://earth.esa.int/documents/d/earth-online/atlid-surface-depolarisation-for-november-2024
https://earth.esa.int/…/atlid-surface-depolarisation-for-november-2024-focusing-on-low-to-medium-values
https://earth.esa.int/documents/d/earth-online/integrated-surface-rayleigh-returns-for-november-2024