Προσδιορισμός της υγρασίας του εδάφους παγκοσμίως μέσω δορυφορικών μετρήσεων
Η υγρασία του εδάφους είναι μια σημαντική μεταβλητή της επιφάνειας του εδάφους, η οποία υπάρχει στη μεσοφάση γης-ατμόσφαιρας και επηρεάζει τους υδρολογικούς, ατμοσφαιρικούς, κλιματικούς, γεωργικούς κύκλους και κύκλους άνθρακα. Δεδομένων των προκλήσεων που συνεπάγεται η μέτρηση της υγρασίας του εδάφους σε τοπική κλίμακα (ετερογενής φύση του εδάφους, οικονομικοί περιορισμοί κ.λπ.), η τηλεπισκόπηση με μικροκύματα έχει βοηθήσει τους ερευνητές να αποκτήσουν την υγρασία του εδάφους σε παγκόσμια κλίμακα.
Η τηλεπισκόπηση με μικροκύματα των διεργασιών της επιφάνειας της γης έχει πλεονεκτήματα έναντι της οπτικής τηλεπισκόπησης, όπως η ελάχιστη εξασθένηση λόγω της ατμόσφαιρας και η υψηλή χρονική ανάλυση μεταξύ άλλων. Οι αισθητήρες μικροκυμάτων μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε δύο είδη, παθητικούς (όπου ο Ήλιος ενεργεί ως πηγή ενέργειας) και ενεργούς (όπου ο αισθητήρας στέλνει ένα σήμα μικροκυμάτων και καταγράφει την απόκριση) αισθητήρες. Το καθένα έχει τα δικά του πλεονεκτήματα και μειονεκτήματα. Με την εμφάνιση του αισθητήρα Soil Moisture Ocean Salinity (SMOS) της Ευρωπαϊκής Υπηρεσίας Διαστήματος (ESA) για την υγρασία του εδάφους και του αισθητήρα Soil Moisture Active Passive (SMAP) της Εθνικής Υπηρεσίας Αεροναυτικής και Διαστήματος (NASA), υπάρχει αυξημένη ευκαιρία για περιλαμβάνουν την υγρασία του εδάφους σε διάφορες υδρομετεωρολογικές, κλιματικές και γεωργικές εφαρμογές, όπως η παρακολούθηση πλημμυρών και ξηρασιών, η εκτίμηση των βροχοπτώσεων, η εκτίμηση της απόδοσης των καλλιεργειών και η πρόγνωση του καιρού.
Πέρυσι, το 2017, σηματοδοτούνται οι τέσσερις δεκαετίες έρευνας για την τηλεπισκόπηση μικροκυμάτων της υγρασίας του εδάφους. Σηματοδοτώντας αυτό το ορόσημο, παρέχεται μια σύνθεση τεσσάρων δεκαετιών έρευνας και ανάπτυξης σχετικά με τους παθητικούς και ενεργητικούς αλγόριθμους ανάκτησης υγρασίας εδάφους με μικροκύματα. Ένας αλγόριθμος ανάκτησης χρησιμοποιείται για τη μετατροπή των δορυφορικών μετρήσεων μικροκυμάτων (θερμοκρασίες φωτεινότητας στην περίπτωση παθητικών αισθητήρων, συντελεστές οπισθοσκέδασης στην περίπτωση ενεργών αισθητήρων) σε υγρασία εδάφους. Γενικά, οι μετρήσεις μικροκυμάτων που σχετίζονται με τις ζώνες συχνοτήτων L- (0,5 – 1,5 GHz), C-(4 – 8 GHz) και X- (8 – 12 GHz) είναι ευαίσθητες στη διηλεκτρική σταθερά του εδάφους, η οποία με τη σειρά της επηρεάζεται από διακυμάνσεις στην περιεκτικότητα σε υγρασία του εδάφους.
Είναι ενδιαφέρον να σημειωθεί ότι η χρήση χαμηλότερων συχνοτήτων θα βελτιώσει την ικανότητά μας να ανακτούμε την υγρασία του εδάφους από μεγαλύτερα βάθη. Έτσι, ένας αισθητήρας ζώνης L, ο οποίος είναι εξοπλισμένος επί του παρόντος σε αποστολές SMOS και SMAP, μπορεί να ανακτήσει την υγρασία του εδάφους σε βάθος έως και 5 cm. Οι μετρήσεις μικροκυμάτων που προορίζονται για την ανάκτηση της υγρασίας του εδάφους έχουν σημαντικές και μικρές μειώσεις λόγω της παρουσίας βλάστησης και ατμόσφαιρας αντίστοιχα. Έτσι, ένας αλγόριθμος ανάκτησης επιχειρεί γενικά να διαχωρίσει τα αποτελέσματα αυτών των εξασθενήσεων από τη δορυφορική μέτρηση προκειμένου να εκτιμήσει το σήμα που σχετίζεται αποκλειστικά με την υγρασία του εδάφους. Τις τελευταίες τέσσερις δεκαετίες, πολυάριθμες αερομεταφερόμενες εκστρατείες και εκστρατείες πεδίου έχουν βοηθήσει τους ερευνητές να βελτιώσουν την ικανότητά μας να αποκτούμε υψηλής ποιότητας ανακτήσεις υγρασίας εδάφους σε παγκόσμια κλίμακα. Σε αυτή την προσπάθεια ανασκόπησης, παρουσιάζονται οι σημαντικές εξελίξεις που έλαβαν χώρα στον τομέα των αλγορίθμων ανάκτησης που σχετίζονται με παθητικούς και ενεργητικούς δορυφορικούς αισθητήρες μικροκυμάτων. Αυτές οι εξελίξεις συνοψίζονται με τη μορφή σχημάτων, ένα καθένα για παθητική και ενεργή δορυφορική έρευνα για την υγρασία του εδάφους με μικροκύματα.
Σε καθένα από αυτά τα σχήματα, ολόκληρη η περιοχή της έρευνας κατηγοριοποιείται σε σημαντικά υποπεδία. Η παθητική έρευνα για την υγρασία του εδάφους με μικροκύματα (Εικόνα 1) ταξινομείται ευρέως σε έξι πεδία, ανάπτυξη εννοιών αλγορίθμων ανάκτησης, μοντέλο διηλεκτρικής ανάμειξης, θερμοκρασία επιφάνειας, επιδράσεις τραχύτητας, επιδράσεις βλάστησης και ατμοσφαιρικές επιδράσεις. Η έρευνα για την υγρασία του εδάφους με ενεργό μικροκύματα (Εικόνα 2) ταξινομείται ευρέως σε πέντε πεδία, χαρακτηρισμό υγρασίας εδάφους, τραχύτητα και βλάστηση, φυσικά μοντέλα, ημι-εμπειρικά μοντέλα, εμπειρικά μοντέλα και προσέγγιση ανίχνευσης αλλαγών.
Οι αριθμοί στις πλευρές δείχνουν το έτος κατά το οποίο δημοσιεύτηκε μια συγκεκριμένη εργασία. Κάθε παραπομπή έχει χρωματική κωδικοποίηση ώστε να βοηθά τον αναγνώστη να επιλέξει το σύνολο των αναφορών που ανήκουν σε ένα συγκεκριμένο υποπεδίο. Για παράδειγμα, εάν κάποιος ενδιαφέρεται να μάθει για τις προόδους που σημειώθηκαν στον τομέα των «επιπτώσεων τραχύτητας» στην παθητική τηλεπισκόπηση με μικροκύματα της υγρασίας του εδάφους από το 1965 έως το 2017, οι αναφορές που υποδεικνύονται με καφέ χρώμα μπορούν να επιλεγούν και να αναθεωρηθούν. Τα έργα που έχουν κάνει πολλές συνεισφορές υποδεικνύονται με μαύρο χρώμα.
Μέσω αυτής της ανασκόπησης, εντοπίστηκαν οι ακόλουθες προκλήσεις όσον αφορά τους περιορισμούς του αλγορίθμου και τη σχετική φυσική, που απαιτούν περαιτέρω προσπάθειες.
- Είναι απαραίτητη μια λογική φυσική ερμηνεία πολλών εμπειρικών παραμέτρων, όπως η τραχύτητα του εδάφους και το αλβέντο της βλάστησης, προκειμένου να περιοριστούν οι σχετικές υποθέσεις και να βελτιωθεί η συνολική δυνατότητα εφαρμογής των αλγορίθμων ανάκτησης.
- Πρέπει να βελτιωθούν οι αλγόριθμοι που ποσοτικοποιούν με ακρίβεια το Οπτικό Βάθος Βλάστησης (VOD) ώστε να διευκολυνθεί η ανάκτηση υγρασίας του εδάφους σε περιοχές με πυκνή βλάστηση.
- Με ευκολία στην εφαρμογή τους, πρέπει να γίνουν προσπάθειες να επεκταθεί η δυνατότητα εφαρμογής των αλγορίθμων βασισμένων στη φυσική των ενεργών αισθητήρων μικροκυμάτων σε παγκόσμια κλίμακα.
- Πρέπει να καταβληθούν προσπάθειες για να διαχωριστούν οι αβεβαιότητες στις ανακτήσεις υγρασίας του εδάφους λόγω της διαμόρφωσης του αισθητήρα και του αλγόριθμου ανάκτησης, έτσι ώστε να μειωθεί ο θόρυβος και να βελτιωθεί η ποιότητα των ανακτήσεων εδαφικής υγρασίας.
- Τα λειτουργικά μοντέλα διηλεκτρικής ανάμειξης όπως το μοντέλο Dobson και το μοντέλο Wang και Schmugge εξακολουθούν να βασίζονται στις εμπειρικές εξισώσεις που αναπτύχθηκαν κατά τη δεκαετία του 1980. Ως εκ τούτου, υπάρχει ανάγκη ενημέρωσης αυτών των μοντέλων εξετάζοντας μια μεγαλύτερη βάση δεδομένων με ενημερωμένα δείγματα εδάφους, έτσι ώστε να μειωθούν τα σφάλματα που σχετίζονται με την εκτίμηση της υγρασίας του εδάφους από τη διηλεκτρική σταθερά του εδάφους.
Αυτή η εργασία ανασκόπησης μπορεί να θεωρηθεί ως αφετηρία για κάποιον που θα ήθελε να τολμήσει σε αυτόν τον τομέα έρευνας, καθώς παρέχει μια ολοκληρωμένη εξέλιξη της έρευνας και τις εξελίξεις στους αλγόριθμους ανάκτησης της υγρασίας του εδάφους με χρήση αισθητήρων μικροκυμάτων.
Στην επόμενη εργασία (Karthikeyan et al. 2017), εξετάσαμε την εξέλιξη των παθητικών και ενεργών οργάνων μικροκυμάτων και την επικύρωση της υγρασίας του εδάφους από οκτώ παθητικούς και δύο ενεργούς αισθητήρες μικροκυμάτων χρησιμοποιώντας παρατηρήσεις σταθμών και προσομοιώσεις μοντέλων επιφάνειας γης στο Continuous United Περιφέρεια Πολιτειών (CONUS).
Αυτά τα ευρήματα περιγράφονται στο άρθρο με τίτλο Τέσσερις δεκαετίες μικροκυμάτων δορυφορικών παρατηρήσεων εδάφους υγρασίας:Μέρος 1. Ανασκόπηση αλγορίθμων ανάκτησης, που δημοσιεύθηκε πρόσφατα στο περιοδικό Advances in Water Resources. Αυτή η εργασία διεξήχθη από τον Karthikeyan Lanka από το Πανεπιστήμιο του Πρίνστον και Ινδικό Ινστιτούτο Επιστημών (IISc).
