シーウィフス

SeaWiFS (Sea-Viewing Wide Field-of-View Sensor) は、地球全体の海洋生物データを収集するために設計された衛星搭載センサーです。1997 年 9 月から 2010 年 12 月まで運用され、主な目的は海洋植物プランクトン(微小植物)が生成するクロロフィルを定量化することでした。

SeaWiFSは、 GeoEyeのOrbView-2（別名SeaStar）衛星に搭載された唯一の科学機器であり、 Nimbus 7の沿岸域カラースキャナの後継実験でした。1997年8月1日にOrbital Sciences Pegasus小型空中発射ロケットで打ち上げられたSeaWiFSは、1997年9月18日に科学的な運用を開始し、2010年12月11日にデータ収集を停止しました^[1]。これは、設計された運用期間の5年を大幅に超過しています。^[2]センサーの解像度は1.1 km（LAC、「ローカルエリアカバレッジ」）および4.5 km（GAC、「グローバルエリアカバレッジ」）です。センサーは、次の光帯域 で情報を記録しました。

この機器は、クロロフィル a濃度や水の透明度などの海洋特性を監視するために特別に設計されました。海面からの太陽光を避けるために、最大 20 度まで傾けることができます。この機能は、太陽光の反射によって水の色が見えにくくなることが多い赤道緯度では重要です。SeaWiFS は、海洋光学ブイを代替校正に 使用していました。

SeaWiFS ミッションは業界と政府のパートナーシップであり、NASAのゴダード宇宙飛行センターの海洋生物学処理グループがデータの収集、処理、較正、検証、アーカイブ、配布を担当しています。現在の SeaWiFS プロジェクト マネージャーはGene Carl Feldmanです。

クロロフィル濃度は、海の色の画像から算出されます。一般的に、水が緑色になるほど、水中の植物プランクトンが多くなり、クロロフィル濃度が高くなります。クロロフィル a は緑色よりも青色と赤色の光を多く吸収するため、水中のクロロフィル量が増えると、反射光は青色から緑色に変化します。この知識を利用して、科学者はさまざまな反射色の比率を使用してクロロフィル濃度を推定することができました。

多くの公式では、青色光と緑色光の比率を比較し、その比率を衛星観測と同じ時間と場所から得られた既知のクロロフィル濃度と関連付けることでクロロフィルを推定します。光の色は波長によって定義され、可視光の波長は 400 ～ 700 ナノメートルで、紫 (400 nm) から赤 (700 nm) へと進みます。SeaWiFS データに使用される一般的な公式 (OC4v4 と呼ばれます) では、いくつかの波長 (443、490、または 510 nm) の最大値の反射率を 550 nm の反射率で割ります。これは、分子の波長のうち 2 つについては青色光と緑色光の比率、もう 1 つの可能な組み合わせについては 2 つの異なる緑色波長の比率にほぼ相当します。

この式で返される反射率（R）は、バンド比とクロロフィルを関連付ける3次多項式に代入されます。^[3]

${\displaystyle Chl=antilog(0.366-3.067{\mathsf {R}}+1.93{\mathsf {R}}^{2}+0.64{\mathsf {R}}^{3}-1.53​​{\mathsf {R}}^{4})}$^[4]

この式は、他の式とともに、観測されたクロロフィル濃度を使用して経験的に導き出されました。これらの比較を容易にするために、NASA はSeaBASS (SeaWiFS バイオ光学アーカイブおよびストレージ システム) と呼ばれる海洋および大気データのシステムを維持しています。このデータ アーカイブは、直接測定されたクロロフィル濃度と衛星からリモートで推定されたクロロフィル濃度を照合することにより、新しいアルゴリズムを開発し、衛星データ製品を検証するために使用されます。これらのデータは、クロロフィル濃度の計算に大きく影響する可能性のある大気補正 (以下で説明) を評価するためにも使用できます。

多数のクロロフィル アルゴリズムがテストされ、どのアルゴリズムが地球全体のクロロフィルに最もよく一致するかが調べられました。さまざまなアルゴリズムは、環境によってパフォーマンスが異なります。多くのアルゴリズムは、浅い水よりも深い透明な水でクロロフィル濃度をより正確に推定します。浅い水では、他の色素、デトリタス、海底からの反射によって不正確になる場合があります。SeaWiFS クロロフィル推定の目標は、「… 透明な水域で 5% の不確実性で水面放射輝度を生成し、0.05～50 mg m-3 の範囲でクロロフィル a 濃度を ±35% 以内に抑える」ことです。^[2]精度が地球規模で評価され、すべての観測がグループ化されると、この目標は明らかに達成されます。^[5]多くの衛星推定値は、海上で直接記録された値の 3 分の 1 から 3 倍の範囲ですが、全体的な関係はまだかなり良好です。^[4]地域ごとに調べると違いが生じますが、全体的には値はまだ非常に有用です。 1 ピクセルは特に正確ではないかもしれませんが、より広い範囲で平均をとると、値が平均化され、より広いパターンの有用で正確なビューが提供されます。衛星からのクロロフィル データの利点は、空間的および時間的範囲が広いという点だけで、精度の欠点をはるかに上回ります。船舶によるクロロフィル測定は、衛星データが提供する頻度と空間的範囲に近づくことはできません。

海洋表面から反射される光は水面放射輝度と呼ばれ、クロロフィル濃度の推定に使用されます。しかし、大気圏上部の光のうち水面放射輝度はわずか 5～10% 程度です。^{[6] [7]}残りの光は大気と大気中のエアロゾルから反射されます。クロロフィル濃度を推定するには、この水面放射輝度以外の放射輝度を考慮する必要があります。また、白波や太陽の反射光など、海洋から反射される光の一部もクロロフィル計算から除去する必要があります。これは、これらの光が海洋表面ではなく、海洋の波や太陽の角度を表しているからです。これらの成分を除去するプロセスは、大気補正と呼ばれます。^[8]

衛星のセンサーによって観測される光、つまり放射輝度の説明は、次の放射伝達方程式によってより正式に表現できます。

${\displaystyle L_{T}(\lambda )=L_{r}(\lambda )+L_{a}(\lambda )+L_{ra}(\lambda )+TL_{g}(\lambda )+t(L_{f}(\lambda )+L_{W}(\lambda ))}$

ここで、L _T (λ) は大気圏上層部の全放射輝度、L _r (λ) は空気分子によるレイリー散乱、L _a (λ) は空気がない場合のエアロゾルによる散乱、L _ra (λ) は空気分子とエアロゾルの相互作用、TL _g (λ) はきらめきによる反射、t(L _f (λ) は泡による反射、L _W (λ)) は水面下からの反射、つまり水面から出る放射輝度です。^[2]放射輝度を若干異なる要素に分割する人もいますが^[8] 、いずれの場合も、水面から出る放射輝度、ひいてはクロロフィル濃度を推定するためには、反射率パラメータを解析する必要があります。

SeaWiFS は主に宇宙から海洋クロロフィル a 濃度を監視するために設計されましたが、研究や教育の目的で一般に公開されている他の多くのパラメータも収集しました。クロロフィル a 以外のパラメータには、反射率、拡散減衰係数、粒子状有機炭素(POC) 濃度、粒子状無機炭素(PIC) 濃度、有色溶存有機物 (CDOM) 指数、光合成有効放射(PAR)、正規化蛍光線高 (NFLH) などがあります。さらに、海洋クロロフィルを測定するために設計されているにもかかわらず、SeaWiFS は陸上での光合成の指標である 正規化植生指数(NDVI) も推定します。

SeaWiFS データは、さまざまな Web サイトから無料でアクセスできます。そのほとんどは政府が運営しています。SeaWiFS データの主な場所は、NASA の OceanColor Web サイト [1] で、SeaWiFS ミッション全体の時系列が維持されています。この Web サイトでは、時間とエリアの選択に基づいて、個々の SeaWiFS 画像を参照できます。また、この Web サイトでは、マップされたデータの空間スケールが 4 km から 9 km の範囲で、さまざまな時間スケールと空間スケールを参照できます。データは、毎日、複数日 (例: 3 日、8 日)、毎月、季節ごとの画像から、ミッション全体の合成画像まで、さまざまな時間スケールで提供されます。データは、FTP および一括ダウンロードでも入手できます。

データは、未処理からモデル化された出力までの4つの一般的なレベルがあり、さまざまな形式と処理レベルで参照および取得できます。^[9]レベル0は未処理のデータで、通常はユーザーに提供されません。レベル1のデータは再構築されていますが、未処理または最小限の処理が行われています。レベル2のデータには、導出された地球物理学的変数が含まれますが、均一な空間/時間グリッド上にはありません。レベル3のデータには、均一なグリッドにビン化またはマッピングされた導出された地球物理学的変数が含まれます。最後に、レベル4のデータには、海洋の一次生産性などのモデル化または導出された変数が含まれます。

クロロフィルやその他のパラメータの計算を OceanColor Web サイトで提供されるものとは異なるものにしたい科学者は、レベル 1 または 2 のデータを使用する可能性が高いでしょう。これは、たとえば、地球の特定の地域のパラメータを計算するために行われる可能性がありますが、標準の SeaWiFS データ製品は、特定の地域に必要なトレードオフを伴うグローバルな精度を実現するように設計されています。標準の SeaWiFS 出力を他のプロセスに関連付けることに関心がある科学者は、特にレベル 1 または 2 のデータを扱う能力、トレーニング、または関心がない場合、一般的にレベル 3 データを使用します。モデル化された製品に関心がある場合は、レベル 4 のデータを同様の研究に使用できます。

NASA は、海洋色の Web サイトを通じて、SeaWiFS データで動作するように特別に設計された無料ソフトウェアを提供しています。SeaDAS (SeaWiFS Data Analysis System) というこのソフトウェアは、衛星データの視覚化と処理用に構築されており、レベル 1、2、3 のデータで動作します。もともと SeaWiFS データ用に設計されていましたが、その後、他の多くの衛星データ ソースで動作するように機能が拡張されました。Matlab 、IDL、Pythonなどの他のソフトウェアやプログラミング言語を使用して、SeaWiFS データを読み込んで操作することもできます。

世界または地域のクロロフィル量、ひいては植物プランクトンの量を推定することは、気候変動や漁業生産に大きな影響を与える。植物プランクトンは、気候変動の主な原因である世界の二酸化炭素の吸収に大きな役割を果たしている。これらの植物プランクトンの一部は海底に沈み、実質的に大気から二酸化炭素を吸収し、少なくとも1000年間深海に隔離する。したがって、海洋の一次生産の程度は、気候変動を遅らせる上で大きな役割を果たす可能性がある。あるいは、一次生産が遅くなれば、気候変動が加速される可能性がある。植物プランクトンの大量発生を促進し、大気から二酸化炭素を除去するために、海に鉄を施肥することを提案する人もいる。これらの実験が行われるかどうかにかかわらず、世界の海洋のクロロフィル濃度と、それが海洋の生物学的ポンプで果たす役割を推定することは、気候変動を予見し、それに適応する私たちの能力に重要な役割を果たす可能性がある。

植物プランクトンは海洋食物連鎖の基盤となる重要な要素であり、海洋学者は以前から海洋クロロフィルと漁業生産の間に関連があると仮説を立ててきた。^[10]植物プランクトンが海洋魚類の生産にどの程度関係しているかは、食物連鎖の栄養段階の数と、各段階の効率によって決まる。植物プランクトンから商業漁業までの栄養段階の数と栄養段階の効率の推定値は広く議論されてきたが、ほとんど実証されていない。^[11] 最近の研究では、クロロフィル a と漁業生産の正の関係をモデル化でき^[12] 、適切なスケールで調べると非常に高い相関関係があることが示唆されている。例えば、Ware と Thomson (2005) は、定住魚の生産量 (メートルトン km-2) と平均年間クロロフィル a 濃度 (mg m-3) の間の r ²が 0.87 であることを発見した。^[13]太平洋の遷移帯クロロフィル前線（クロロフィル密度0.2mg/m3）がアカウミガメの分布の特徴であるとする研究もある。^[14]

• Cracknell, AP; Newcombe, SK; Black , AF; Kirby, NE (2001)。「ABDMAP (藻類ブルームの検出、監視、予測) 協調行動」。International Journal of Remote Sensing。22 ( 2–3): 205–247。Bibcode : 2001IJRS ...22..205C。doi :10.1080/014311601449916。S2CID 140603142  。

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