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APLICACIÓN DE ASPECTOS DE
OCEANOGRAFÍA OPTICA EN
CARACTERIZACIÓN DE AGUAS
TIPO I Y II
LIM-UPC, Barcelona, 27 de mayo de 2004
Nixon Bahamón
CEAB/CSIC
La transferencia de energía radiante en el agua y su influencia en la
producción primaria (por fitoplancton, macrófitas)
La absorción y dispersión de energía radiante lo que hace que la
intensidad y la calidad espectral de radiación varíe
considerablemente con la profundidad
Las propiedades de absorción y dispersión del agua influencian la
cantidad de luz disponible (limitación) para la producción primara
(fitoplancton, macrófitas...). Esto genera un efecto de
retroalimentación (feedback).
UPC, Barcelona, 27 de mayo de 2004
La oceanografía óptica trata sobre...
Para facilitar su estudio, las propiedades de absorción y la
dispersión suelen separarse de acuerdo a la contribución del agua
pura, de la clorofila, de la materia orgánica disuelta coloreada,
etc.
El análisis del flujo de radiación se complica por la dependencia
espectral de las propiedades ópticas del agua pura y de los
constituyentes biológicos.
Los fotones pueden cambiar de dirección en un evento de
dispersión y la acumulación de muchos eventos de dispersión
tienden a ampliarse en los rayos de luz... problema...
Fuentes de variación de propiedades ópticas
UPC, Barcelona, 27 de mayo de 2004
La presencia del zooplancton complica aún más el análisis de la
transferencia de radiación en el agua
La oceanografía óptica es multidisciplinaria: requiere acoplar la
física de la transferencia de luz (radiación) -oceanografía física- y el
efecto biológico de la absorción de energía –oceanografía biológica-.
UPC, Barcelona, 27 de mayo de 2004
Fuentes de variación de propiedades ópticas
Underwater light field results from influences in aquatic medium
Light from sun goes through atmosphere, hits water surface,
intensity decreases with depth at all wavelengths according to
classical Ed(z) = Ed(0) e -Kdz
Hits water surface, some reflected, some refracted downwards due
to index of refraction difference for water (1.33) vs. air (1.00)
Mueller et al. (2003). Ocean Optics Protocols for satellite ocean color sensor validation, Rev. 4, Vol. I:
Introduction, background and conventions.
UPC, Barcelona, 27 de mayo de 2004
Flujo energético
Las medidas hechas fuera del agua (v.gr. Sensores remotos) se
pueden usar para inferir el color del océano (espectroradiómetros),
lo que da información sobre las propiedades ópticas cerca de la
superficie
Las medidas hechas en el agua (in situ) a diferentes profundidades
puede ser usadas para determinar las propiedades ópticas en función
de la profundidad
Además...
UPC, Barcelona, 27 de mayo de 2004
Jerlov, 1951: evidencia la diferencia en las propiedades ópticas del agua
oceánica (Expedición sueca 1947-1948), sin determinar causas
Caracterización bio-óptica
Preisendorfer (1961, 1976) clarifica las diferencias de de los
parámetros ópticos definiendo las propiedades inherentes y
aparentes del agua.
Propiedades ópticas inherentes (inherent optical properties,
IOPs): son cantidades que caracterizan como un campo de luz
que se propaga a través de un punto dado en el medio es
modificado por los procesos físicos de absorción y dispersión
(dependen solamente de los constituyentes del agua).
Propiedades ópticas aparentes (apparent optical properties,
AOPs) Son las medidas de radiancia e irradiancia espectral que se
propagan a través del medio y dependen de la distribución
geométrica del campo de luz y de las IOPs.
Caracterización bio-óptica - Historia
UPC, Barcelona, 27 de mayo de 2004
Scientific Committee on Oceanic Research (SCOR), 1963; Tyler,
1966) Primera integración oficial de biólogos y físicos para
identificar que medidas de irradiancia se requieren para la
determinación de la producción primaria en el océano.
Expedición Discoverer, 1970. Primer gran estudio sobre la
reflectancia (COLOR) del océano.
G. Jerlov and Steemann Nielsen, Posteriores trabajos sobre aspectos
ópticos de la oceanografía (luz y PP).
Smith and Baker, 1978, acuñaron el término “estadio bio-óptico” del
océano. Se reconoció la importancia del fitoplancton, material
particulado y disuelto en el color del mar.
Caracterización bio-óptica
UPC, Barcelona, 27 de mayo de 2004
Morel and Prieur, 1977: Nueva clasificación del agua oceánica:
Aguas Tipo I. Agua del mar abierto. Cuando la absorción y la
dispersión pueden estar correlacionadas con la concentración de
clorofila (cerca del 98% de las aguas oceánicas desde oligotróficas
hasta eutróficas). Predomina dispersión, poca absorción
Aguas Tipo II. Principalmente las aguas costeras en donde dichas
correlaciones no son claras o no existen. Generalmente se debe a
la presencia de sedimentos, sustancias amarillas. Predomina la
absorción, poca dispersión
Caracterización bio-óptica
UPC, Barcelona, 27 de mayo de 2004
Irradiancia: Flujo de energía que se propaga por unidad de área, sin
importar de donde de dónde proviene (desde todas las direcciones)
unidades= µW cm-2.
La irradiancia espectral descendente o ascendente (W m-2 nm-1), por ejemplo,
la energía que cruza una unidad de área a una profundidad determinada en un
intervalo de longitud de onda específico, que se mide con un detector “coseno”
(o lámina plana)
Radiancia: Es la energía que se propaga por unidad de área por en
la hemisfera por encima de la superficie unidad de ángulo sólido
teniendo en cuenta la dirección del flujo (µW cm-2 sr)
sr=estereorradián.
La radiancia espectral puede expresarse en W m-2 sr-1 nm-1: la energía que
cruza una unidad de área a una profundidad dada, en una dirección particular
e intervalo de longitud de onda. Se mide con un sensor de campo de visión
angosto (narrow field-of-view detector)
Definiciones y unidades
UPC, Barcelona, 27 de mayo de 2004
PAR=Photosynthetically Available Radiation= intervalo del espectro de
luz ( 400-700 nm) de donde la clorofila puede absorber y utilizar
fotones para la fotosíntesis. Es por tanto, la fracción del espectro de
energía solar más importante para la producción primaria
PAR es el rango típico para visión humana y está en el pico del
espectro de energía del sol. Por esta razón la palabra “luz” suele
reemplazar la palabra “energía” cuando se describe la transferencia de
luz en el agua (o mejor, energía lumínica)
Longitudes de onda inferiores a 400 nm, cercanos al UV se absorben
rápidamente cerca de la superficie (excepto en aguas muy claras)
Definiciones y unidades
UPC, Barcelona, 27 de mayo de 2004
PAR se expresa en
1 photon s-1 m-2 = 1 quanta s-1 m-2
1 Einstein s-1 m-2 6.03 x 1023 quanta s-1 m-2
1 Watios m-2 4.6 µE s-1 m-2
Ejercicio:
Se ha estimado que el máximo profundo de clorofila en el Atlántico
Norte subtropical se encuentra a una profundidad en que la radiación
es aprox. 20 W m-2. ¿Cuál es su equivalencia en quanta s-1 cm-2?
Definiciones y unidades
Brock,TD. 1981. Calculating solar radiation for ecological studies. Ecological Modelling 14, 1-19.
Pickard & Emery. 1990. Descriptive physical oceanography. An Introduction. Pergamon P. Oxford. 320 pp
UPC, Barcelona, 27 de mayo de 2004
Specific light absorption by pigments in photosynthetic apparatus of phytoplankton cells
UPC, Barcelona, 27 de mayo de 2004
100 %
1.0 %
0.1%
Water extinction
+
Phytoplankton self-
shadingDep
th
365
N 2 sinP1P0PAR(0) π (4.5)
L1
L1tcosPAR(0)t)PAR(0,
1221 (4.6)
zD PHY(i) ckwk -
exp t)1,-PAR(it)PAR(i, (4.7)
The depth variation of PAR
UPC, Barcelona, 27 de mayo de 2004
Atenuación de PAR- Zona fótica
Bahamon et al. 2003
-75° -70° -65° -60° -55° -50° -45° -40° -35° -30° -25° -20°
West Longitude
-450
-400
-350
-300
-250
-200
-150
-100
-50
De
pth
(m
)
Station 101 12035506783 122742597590
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.35
0.40
0.45
0.55
1.00
Chlorophyll a (mg m-3
)
Chl a
(mg m-3)
CDOM = yellow matter = gilving = gelfstoffe
La evaluación de la contribución relativa de CDOM, fitoplancton
y otras partículas en el color del océano es uno de los objetivos
fundamentales de la oceanografía óptica
Los componentes “coloreados” de CDOM absorben fuertemente
en el espectro cercano a UV y violeta a verde-azul, afectando
significativamente el color del océano, particularmente las
regiones costeras (Kirk, 1994)
La variabilidad temporal en la absorción de CDOM y absorción
UV se suele determinar en dos sitios de muestreo con y sin
influencia de zonas costeras (e.g., Nelson and Guarda, 1995),
Materia orgánica disuelta
UPC, Barcelona, 27 de mayo de 2004
Detección y cuantificación de luz. Uso de fluorómetro. Uso del
espectroirradiómetro para determinar posibles canales de absorción
de luz por CDOM.
La fluorescencia porque aprovecha la fluorescencia natural de
absorber UV y producir luz azul fluorescente.
Los datos de fluorescencia de CDOM se usan para calcular el
rendimiento cuántico que luego se usa para determinar el
coeficiente de absorción de CDOM.
Las medidas de fluorescencia de CDOM se consideran de relevancia
para la creación de algoritmos que permitan estimarlos a partir de
mediciones remotas (e.g. Hodge et al.,1993).
Medidas in situ
UPC, Barcelona, 27 de mayo de 2004
En 1978-1986, el Costal Zone Colour Scanner (CZCS) tomó un
amplio conjunto de imágenes
En la actualidad existen varios instrumentos instalados en satélites
con el fin de medir el color de la superficie del mar:
Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor (SeaWiFS) (en el
satélite ORBIMAGE) (Sept. 1997 - )
Dos Moderate Resolution Imaging Spectroradiometers
(MODIS) (en satélites Terra (Feb 2000 -) y Aqua (Jun 2002 -)
Medium Resolution Imaging Spectrometer (MERIS) en
ENVISAT, Abril 2002 -)
Color del océano – sensores remotos
UPC, Barcelona, 27 de mayo de 2004
Los instrumentos instalados en satélites miden la radiancia espectral
que proviene de la atmósfera en longitudes de onda visible y cercana
al infrarrojo.
Despues de corregir la contribuón de luz por la atmósfera, se
realizan estimativos de la radiancia expectral en la superficie del
océano (Lwn, Rrs).
Lwn, Rrs pueden ser usados para estimar datos geofísicos como la
concentración de clorofila a mediante la utilización de algoritmos
bio-ópticos.
Se utiliza para monitorear cambios temporales en el ecosistema
marino y para investigar el papel de la fotosíntesis y la producción
primaria neta en el balance global del carbono. (Behrendfeld et a.,
2001).
Color del océano – sensores remotos
UPC, Barcelona, 27 de mayo de 2004
También se determina el grosor de la capa de aerosoles a 865 nm para investigar la formación de nubes y cambios climáticos.
La resolución de las observaciones satelitales pueden alcanzar 1 km2.
La medición in situ es fundamental para calibrar sensores remotos. Problema: existen pocos datos coincidentes.
Pueden tomarse uno o varios pixels... (5x5; 3x3...) para comparar con datos in-situ
Lwn del SeaWiFS presenta menos del 14% de error con observaciones, esp. 443 nm.... (con excepciones, p.ej. NW Mediterranean).
SeaWiFS pretende mejorar precisión hasta el 5% con las mediciones radiométricas in-situ.
De la clorofila se espera una precisión superior al 35%
Color del océano – sensores remotos
UPC, Barcelona, 27 de mayo de 2004
Winter-spring period with of enhanced exchange across the mid-shelf region of the South
Atlantic Bight. Lower salinity coastal waters off Georgia are typically turbid with relatively high
concentrations of colored dissolved organic matter (CDOM), providing optical tracers of coastal
water. SeaWiFS K490 imagery (attenuation in the blue-green) from March 7, 2000 showed a
distinct plume-like feature through the tower grid. A week later the feature had dissipated, but a
seaward bulge in the coastal turbid zone was still evident (March 14, 2000 image). A plot of
temperature, salinity, and CDOM fluorescence at R2 during this period showed that CDOM
fluorescence was a sensitive indicator of lower salinity coastal water.
Coeficiente de
extinción en una
zona costera y mar
abierto
(Morel and Berthon, 1989)6.4/%1 PARdepthZpd
kZpd /1 (Clark, 1997)
Zpd = 10% PAR depth (Garver et al., 1994, Gordon
and Morel, 1983)
The optical depth (Zdp)
UPC, Barcelona, 27 de mayo de 2004
Zpd
Zpd
dzkz
dzkzzCC
0
0
)2exp(
)2exp()(
Weighted mean Chl a
K=attenuation coefficient for downwelling PAR
UPC, Barcelona, 27 de mayo de 2004
Non weighted surface Chl a is also used for calibration/Validation studies
)1)(,0(),0( EdEd
Ed is also extrapolated through the surface using:
with =0.043 representing the Fresnel reflection albedo for irradiance from sun
and sky.
Estimating downwelling spectral irradiance just above the surface
Tratamiento de datos a partir del perfil de radiancia e irradiancia:
• Calcular el logaritmo natural del perfil Ed, Lu
• Regresión lineal (para calcular el intercepto)
• Calcular e (2,718) elevado a la potencia del intercepto) para recuperar el
valor Ed-, Lu-.
In order to compute surface chlorophyll from upwelling radiance and
downwelling irradiance, the remote sensing reflectance (Rrs) just
above the surface can be calculated following the equations:
),0(),0(),0( EdLwRrs
)(),(1 ),0(),0( 2
wuLLw
),( )(w
where Lw is the upwelling spectral radiance propagated through the surface using:
with = 0.021, the Fresnel reflectance index of seawater, and =
1.345, the Fresnel refractive index of seawater.
Estimating remote sensing reflectances
UPC, Barcelona, 27 de mayo de 2004
)(
)()( 0
Ed
FLwLwn
F0( ) = the mean extraterrestrial solar irradiance
Normalised water-leaving radiance (Lwn)
),0()( LwLw
Estimating normalized leaving-water radiance
UPC, Barcelona, 27 de mayo de 2004
Bio-optical equations
nmRrs
nmRrsR
C RRR
555
490log
0929.010
10
)0077.08358.0429.22974.0( 32
nmRrs
nmRrsR
C RRR
555
490log
035.010
10
)297.0704.0728.2217.0( 32
1
42.1
1560
44315.1 lgC
nmLwn
nmLwnC
(D’Ortenzio et al., 2002)
(Gordon et al., 1988)
(O’Reilly et al.,1998)
1
62.2
1560
50064.3 lgC
nmLwn
nmLwnC
140 160 180 200 220 240 260 280 300
Julian day
-175
-150
-125
-100
-75
-50
-25
0
De
pth
(m
)
0.05
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
0.40
0.50
Case 1 waters: The Blanes Canyon Head, Catalan Sea
Time evolution of light, chlorophylls and density
Bahamón et al. unpublished
Spring Summer
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
Surf
ace C
hl a (
µg l
-1)
Spring+Summer
261
140
140
Surface variation of chlorophyll a
Julian day
140 160 180 200 220 240 260 280 300
Su
rface / T
ota
l C
hl
a
(%)
0
5
10
15
20
25
30
The surface chlorophyll a represents a fraction between 7 and 29% of the chlorophyll inventory in the
upper 200 m depth.
Surface to total Chl a ratio
Julian day
140 160 180 200 220 240 260 280 300
De
pth
(m
)
0
25
50
75
100
125
150
175
200
Thermocline
0.5 – 1.0 µM Nitrate
Chlorophyll a maximum
Julian day
140 160 180 200 220 240 260 280 300
De
pth
(m
)
0
25
50
75
100
125
150
175
200
Thermocline
0.5 – 1.0 µM Nitrate
Chlorophyll a maximum
Thermocline, nitracline and chlorophyll maximum depths
Julian day
140 160 180 200 220 240 260 280 300
RS
R-L
u(0
+)/
Ed
(0+
)
0.000
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0.006
0.007
412 nm
446 nm
489 nm
510 nm
560 nm
620 nm
665 nm
140 160 180 200 220 240 260 280 300
0.10
0.15
0.20
0.25
0.30
Su
rfac
e C
hla
(µ
g l
-1)
Su
rface
Ch
la (µ
g l -1)
In situ Chl a (µg l-1)
0.0 0.2 0.4 0.6
Bio
-optica
l C
hl a (
µg l-1
)
0.0
0.2
0.4
0.6
D' Ortenzio et al., 2002
Linear fitting
Gordon et al., 1988
Linear fitting
O'Reilly et al., 1998
Linear fitting
Retrieval of surface chlorophyll using three bio-optical equations based on the remote sensing reflectance
(D’Ortenzio et al., 2002; O’Reilly et al., 1998) and normalised water-leaving radiance (Gordon et al.,
1988).
The fluorometric surface chlorophyll a ( ) was computed following the
formulation:
C
ZdpZdp
dzkzdzkzzCC00
)2exp()2exp()(
where Zdp is 10% PAR depth (Garver and Siegel, 1994; Gordon
and Morel, 1983), and k is the diffuse attenuation coefficient for
downwelling PAR.
Estimated error by bio-optical equations used to retrieve surface chlorophyll in comparison with in situ
chlorophyll a data. The horizontal black line in the boxes indicates the median and boxes involve 50% of the
estimated errors. Black points show atypical days with errors above or below the median.
D'Ortenzio Gordon O'Reilly
Err
or
(%)
-300
-200
-100
0
100
200
261
217
261261
233
268
268268233
217 217233
situ
modsitu
C
CCE 100%
35%E
Comparison of in situ bio-optical and fluorescence chlorophyll a against MERIS (bio-optical) derived
chlorophyll a.
In situ Chl a (mg m-3
)
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
Sate
llit
e d
eri
ved
Ch
l a
(W
eeks e
t al.
2003)
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
In situ Bio-optical Chl a (D'Ortenzio eq.)
In situ Fluorescence Chl a
ME
RIS
der
ived
Ch
l a
(Wee
ks
et a
l., 2003)
0 .0 0 0
0 .2 0 0
0 .4 0 0
0 .6 0 0
0 .8 0 0
1 .0 0 0
0 .0 0 0 0 .2 0 0 0 .4 0 0 0 .6 0 0 0 .8 0 0 1 .0 0 0
In -s itu ch lo r o p h yll (m g m -3)
Sa
tell
ite
de
riv
ed
ch
loro
ph
yll
S in g le p ix e l
M e a n o f 9
Comparison of in situ bio-optical and fluorescence chlorophyll a against MERIS (bio-optical) derived
chlorophyll a. (Weeks et al., 2003)
2D Graph 5
Surface Chlorophyll a (µg l-1)
0.10 0.15 0.20 0.25 0.30
Rrs
Lu(0
+)/
Ed(0
+)
0.000
0.001
0.002
0.003
0.004
0.005
0.006
Remote sensing reflectance better fitting the surface chlorophyll a: Rrs 510 nm (black circles;
n=18; r2=0.72); Rrs 560 nm (white circles; n=18; r2=0.85), Rrs 620 nm (grey triangles; n=18;
r2=0.75). Solid lines represent linear regressions and dashed lines indicate 95% confidence
intervals.
Referencias
J.T.O. Kirk, 1994: Light and Photosynthesis in Aquatic Ecosystems, 2nd ed. (Cambridge)
C.D. Mobley, 1994: Light and Water, Radiative Transfer in Natural Waters (Academic)
R.W. Spinrad, K.L. Carder, and M.J. Perry, 1994: Ocean Optics (Oxford)
K.S. Shifrin, 1988: Physical Optics of Ocean Water (American Institute of Physics).
H.R. Gordon and A.Y. Morel, 1983: Remote Assessment of Ocean Color for Interpretation of Satellite Visible
Imagery, A Review (Springer-Verlag).
Limnology and Oceanography, Vol. 34, No. 8: the December 1989 special issue on Hydrologic Optics
Journal of Geophysical Research, Vol. 100, No. C7: the July 15, 1995 special issue on Advances in Ocean
Optics: Issues of Closure
Fin
La extinción de luz en cierta distancia es proporcional a la radiancia
o irradiancia de luz:
Propiedades bio-ópticas
cIdx
dI
c=coeficiente de atenuación, x=distancia a lo largo del haz de luz,
I=radiancia o irradiancia
• Aproximación del coeficiente de atenuación (extinción) de la
irradiancia (at) descendente (downwelling irradiance) a partir del
coeficiente de absorción at
at = Kd µd
µ= 0.7 – 0.89 (coseno del ángulo solar cenit en la subsuperficie)
Julian day
140 160 180 200 220 240 260 280 300
Lw
n-L
u(0
+)/
Ed
(0+
)
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
412 nm
443 nm
489 nm
510 nm
560 nm
620 nm
665 nm
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