2016年5月31日

海水的顏色與深度

作者/曾國欣(任職國立中央大學太空及遙測研究中心。興趣包含衛星於海平面觀測、水資源變化、水質遙測與公衛應用。)

在清澈的海岸邊觀察,似乎能夠透過光影的分佈猜到大概的深度跟底部物質,如此從生活經驗中即可察覺水面可能的色彩變化,也是衛星儀器拍攝與測量的重要物理原理。衛星影像可以用來探討水面至水底的組成,包含水面的浮游植物,水中懸浮的泥沙含量,水底水草與岩石的分佈,甚至是底部深度的估計。拜科技發展所賜,遙測儀器與載具技術(衛星或飛機)的進步造就當今測量技術的效率與無限發展潛力。

回顧遙感探測
現代遙感探測(remote sensing)一詞可追溯自18~19世紀的攝影技術發展,透過太陽光為主要訊號源,利用景物光線在相機底片中成像的方式,在不接觸目標物的前提下,對遠方物體的幾何形狀與物理特徵進行判釋。這樣的技術因利用自然界太陽光的電磁波為測量媒介,而非儀器本身製造的訊號,因此亦稱為「被動式」遙測。在20世紀初期首先大量應用在航空攝影測量中,並且逐漸將三原色(紅、綠、藍)以及熱紅外光等光譜波段分離過濾出來,可將相同「顏色」但有不同溫度的物體透過影像中的特徵逐一分離。

1970年代,因為電子技術的進步,相同的原理得以實踐在更高解析度的光學儀器中,促使衛星搭載光學影像傳感器的遙測技術掀起序幕。自1957年,前蘇聯發射人類史上第一顆人造衛星—史波尼克一號(Sputnik-1)衛星後,以美俄為主的世界各國陸續運行多個利用被動遙測技術的衛星,並以氣象觀測與地面攝影為主要用途。1972年美國發射陸地衛星一號(Earth Resources Technology Satellites, ERTS-1),也屬於眾所皆知的美國大地衛星(Landsat)系列,此後的40餘年「多光譜(泛指感測數個到數十個電磁波段)衛星遙測」便成為地球科學、自然環境、水文海洋、測繪製圖等領域非常重要的關鍵技術,對於公里以上大範圍的地物判釋、變遷分析、物理測量等應用提供即時且符合成本效益的資訊。

為什麼會有不同顏色海面?
被動式微波遙測在海洋上的應用,主要是透過光線在輻射傳輸中反射、折射、散射與吸收等過程,利用不同物質所呈現的獨特物理特性進行各種分類與量化。以水面物質為例,因為液態水本身會吸收大部分波長較長的可見光,短波長的藍光和綠光有較強的穿透能力,在入射水中之後仍有部分能量經過水體中的散射與海底反射等過程回到大氣之中,也就是為何用肉眼可以看到海洋呈現藍色的樣貌。因此就如同人類的眼睛一樣,在水面若能看到其他顏色的
分佈,便有可能是非水物質所造成影響。

我們首先可以粗略判斷其成因,常見的例子像是水中營養鹽過多的地方容易造成的「藻華」,也就是在優養化水體表面生成的浮游植物,在世界各地許多近岸的海面形成大片通常是綠色或紅色的藻類繁殖。藻華的主要成因為人類在河川逕流中釋放了過多的營養鹽,尤其是因為農業肥料釋放出的含氮化合物,造成水中植物適合生長的條件。而大量藻華現象會造成陽光穿透性不足,影響水中生物及水草生長,進而造成附近海域生態鏈的破壞。因此,海洋遙測中有個很重要的工作就是監測浮游植物的生長密度。利用植物含有葉綠素的特性,通常是在綠光的波段(波長約500~570奈米),越強的反射效應代表在該格點範圍內有越多的藻類聚集,所呈現的影像也會越「綠」。再透過和現地資料的比較後,我們可以建立一個模型來敘述影像中綠色的程度與實際水面葉綠素濃度的相關性。......【更詳細的內容請見科學月刊第558期】

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