위성 표면 염도

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위성 표면 염도는 원격 감지 위성에 의해 만들어진 표면 염도를 측정하는 것을 말한다. 바다 표면의 복사 성질을 이용하여 수면층의 염도를 추정한다.

위성 표면 염도 측정이 민감한 물기둥의 깊이는 측정 중인 광도의 주파수(또는 파장)에 따라 달라진다. 예를 들어 물병자리 임무에 사용되는 1.413GHz 마이크로파 주파수에서 바닷물의 광학 깊이는 약 1~2cm이다.^[1]

배경

많은 패시브 원격 감지 위성 제품과 마찬가지로 위성은 지구의 대기와 해양에서 방출되는 광도 측정을 처음 실시함으로써 표면 염도를 측정한다. 측정된 광도를 방출하는 물체가 검은 몸체로 간주되는 경우, 주어진 주파수에서 측정된 광도와 측정된 광도 사이의 관계는 플랑크 함수(또는 플랑크의 법칙)를 통해 관련될 수 있다.

${\displaystyle I_{\nu }={\frac {2h\nu ^{3}{c^{2}}:{\frac {1}{e^{\frac {h\nu }{k}}T1}-1}$

어디에

${\displaystyle I_{}}$ ${\displaystyle {\nu }_{}}$${\$$displaystyle I_{\nu }}($강도 또는 밝기)는 단위 고형각당 단위 시간당 단위 표면당 방출되는 에너지의 양이며, $\nu {\displaystyle }$ ${\$$displaystyle$$\nu$$}$과 $\nu {\displaystyle }$+ d ${\displaystyle \nu }$ $사이의$주파수 $범위$에서 nu $\{\backslash$$displaystyt}$은 흑체의 온도; $h{\displaystyle }$ ${\dis$.$aystyle h}$은 Plank의 상수, ; ${\displaystyle \nu}$은 주파수, $c{\displaystyle }$ ${\displaystyle c}$은 빛의 속도, k ${\displaystyle k}$은 볼츠만의 상수다. 이 방정식은 온도 T를 특정 주파수에서 측정한 광도 측면에서 표현하기 위해 다시 쓸 수 있다. 플랑크 함수에서 파생된 온도를 밝기 온도(예: 유도용)라고 한다.

이상적인 흑체에게 밝기 온도는 직접적으로 측정할 수 있는 온도이기도 하다. 흔히 회색 몸체라고 불리는 자연 속의 물체의 경우, 실제 온도는 밝기 온도의 일부에 불과하다. 실제 온도에 대한 밝기 온도의 분율은 복사도로 정의된다. 밝기 온도와 온도 사이의 관계는 다음과 같이 기록할 수 있다.

${\displaystyle T_{b}=eT}$

여기서 T는_b 밝기 온도, e는 발산성, T는 지표수 온도다. 방출성은 방사선에 의해 에너지를 방출하는 물체의 능력을 묘사한다. 온도, 방출 각도, 파장 및 화학적 조성을 포함한 몇 가지 요인이 물의 방출성에 영향을 미칠 수 있다. 바닷물의 방출성은 그 온도, 염도, 복사 에너지 주파수의 함수로 모델링되었다.^[2]

측정기법

1.413GHz(L-밴드)에서 해수 밝기 온도를 측정하면 해수면 염도를 합리적으로 정확하게 측정할 수 있다는 연구 결과가 나왔다.^[3][4] 해수의 방출도는 편광성 성분으로 다음과 같이 설명할 수 있다.

${\displaystyle e_{H}=1-\왼쪽[{\frac {\cos \theta -(\epsilon -\sin ^{2}\theta )^{1}{1}{{1}}}{\cos \theta +(\epsilon -\sin ^{2}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}}:{2}}:}}}}}:{2}}:}$

${\displaystyle e_{V}=1-\left[{\frac {\epsilon \cos \theta -(\epsilon -\sin ^{2}\theta )^{\frac {1}{2}}}{\epsilon \cos \theta +(\epsilon -\sin ^{2}\theta )^{\frac {1}{2}}}}\right]^{2}}$

위의 방정식은 프레스넬 방정식, nadir θ로부터의 계기 시야각, 유전 계수 ε에 의해 관리된다.^[4] 마이크로파 방사선계는 표면 해수 밝기 온도의 수직 및 수평 구성요소를 측정하기 위해 추가로 장착될 수 있으며, 이는 다음과 같이 방사성의 수평 및 수직 구성요소와 관련된다.

${\displaystyle T_{bH}=e_{H}T}$

${\displaystyle T_{}}$ ${\displaystyle B_{}}$ V${\displaystyle {}_{}}$= ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle V_{}}$ ${\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle T_{bV}=e_{V}T$

여기서 $T{\displaystyle {}_{}}$ ${\displaystyle b_{}}$ ${\$는 밝기 온도를 가리키며$$ $T{\displaystyle }$ ${\displaystyle T}$는 단순히 표면 해수의 온도를 가리킨다. nadir로부터의 시야각은 일반적으로 원격 감지 계측기에 의해 설정되므로 밝기 온도의 편광 성분 측정은 표면 해수의 온도 및 유전계수와 관련될 수 있다.

염도와 온도를 고려할 때 바닷물의 유전체 상수를 추정하기 위해 여러 모델이 제안되었다.^[3][5] "Klein and Swift" 유전체 모델 함수는 주어진 염도, 온도, 빈도에서 바닷물의 유전체 계수를 계산하는 데 사용되는 공통적이고 잘 검증된 모델이다. 클라인과 스위프트 모델은 데비예 방정식을 기반으로 하며 유전계수의 실험실 측정에 적합하다.^[1] 이 모델을 이용하여 해수 온도가 외부로부터 알려진 경우, 밝기 온도 측정은 표면 해수의 염도를 직접 계산하는 데 사용할 수 있다. 그림 1은 해수면 온도의 함수로서 해수면 염도와 관련된 밝기 온도 곡선의 예를 보여준다.

밝기 온도의 편광 성분을 보면 밝기 온도 곡선의 분포가 성분에 따라 달라진다. 밝기 온도의 수직 성분은 수평 성분보다 일정한 염도 곡선에서 스프레드가 더 크다.^[1] 이는 수평보다 밝기 온도의 수직 성분에서 염도에 대한 민감도가 더 높다는 것을 의미한다.

측정 오류의 원인

해수면 염도 측정과 관련된 오류의 원인은 다음과 같다.^[6]

• 방사선계
• 안테나
• 시스템 포인팅
• 거칠기(해면)
• 태양열
• 은하계
• 비(총액수)
• 전리층
• 대기(기타)
• 해수면 온도
• 육지 및 얼음 근처에서 안테나 이득
• 모형 함수

이전 목록에 있는 대부분의 오류 발생원은 표준 계측기 오류(안테나, 시스템 포인팅 등) 또는 외부 발생원 측정 신호(솔라, 은하 등)에서 비롯된다. 그러나 가장 큰 오차원은 바다 표면의 거칠기의 영향에서 나온다.^[6] 거친 바다 표면은 다중 산란 및 그림자 효과의 결과로 측정된 밝기 온도 증가를 유발하는 경향이 있다.^[8] 해양 거칠기가 측정된 온도 밝기에 미치는 영향을 수량화하는 것은 정확한 측정을 하기 위해 중요하다. 일부 계측기는 레이더 산점계를 사용하여 이러한 오류 발생원을 설명하기 위해 표면 거칠기를 측정한다.^[6]

해수면 염도를 측정하는 위성 기기 목록

• 토양 수분과 해양 염도 위성
• 물병자리(SAC-D 기기)

참조