لون المحيط

يرجع ظهور مياه المحيطات المفتوحة باللون الأزرق إلى صفائها الشديد، الذي يشبه إلى حد ما صفاء الماء النقي، واحتوائها على مواد قليلة أو جزيئات متناهية الصغر. يمتص الماء النقي الضوء الأحمر مع ازدياد العمق. ^{[ 8 ]} ومع امتصاص الضوء الأحمر، يبقى الضوء الأزرق. تظهر كميات كبيرة من الماء النقي باللون الأزرق (حتى في حوض سباحة ذي قاع أبيض أو دلو مطلي باللون الأبيض ^{[ 9 ]} ). غالبًا ما تكون المواد الموجودة في مياه المحيطات المفتوحة ذات اللون الأزرق جزيئات متناهية الصغر تُشتت الضوء، وخاصةً الضوء ذي الأطوال الموجية الزرقاء. ^{[ 10 ]} يُشبه تشتت الضوء في الماء الأزرق التشتت في الغلاف الجوي الذي يجعل السماء تبدو زرقاء (يُسمى تشتت رايلي ). ^{[ 11 ]} تظهر بعض البحيرات ذات المياه الصافية الزرقاء باللون الأزرق للأسباب نفسها، مثل بحيرة تاهو في الولايات المتحدة. ^{[ 12 ]}

تمتص الطحالب البحرية المجهرية، التي تُسمى العوالق النباتية ، الضوء في نطاقي الطول الموجي الأزرق والأحمر، وذلك بفضل أصباغها الخاصة مثل الكلوروفيل-أ . وبناءً على ذلك، مع ازدياد كمية العوالق النباتية في الماء، يتحول لون الماء نحو الجزء الأخضر من الطيف. ^{[ 13 ] [ 14 ]}

أكثر المواد امتصاصًا للضوء انتشارًا في المحيطات هي صبغة الكلوروفيل، التي يستخدمها العوالق النباتية لإنتاج الكربون من خلال عملية التمثيل الضوئي . الكلوروفيل، وهي صبغة خضراء، تجعل العوالق النباتية تمتص بشكل تفضيلي جزئي الطيف الضوئي الأحمر والأزرق. ومع امتصاص الضوء الأزرق والأحمر، يبقى الضوء الأخضر. تتميز المناطق المحيطية ذات التركيزات العالية من العوالق النباتية بتدرجات لونية تتراوح بين الأزرق والأخضر، وذلك تبعًا لكمية ونوع العوالق النباتية. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

قد تحتوي المياه الخضراء أيضاً على مزيج من العوالق النباتية والمواد الذائبة والرواسب، ومع ذلك تظل خضراء اللون. يحدث هذا غالباً في مصبات الأنهار والمياه الساحلية والمياه الداخلية، والتي تُسمى "مياه معقدة بصرياً" لأن العديد من المواد المختلفة تُكوّن اللون الأخضر الذي يراه المستشعر.

يظهر ماء المحيط باللون الأصفر أو البني عند وجود كميات كبيرة من المواد المذابة أو الرواسب أو كليهما.

قد يبدو الماء أصفر أو بني اللون نتيجةً لوجود كميات كبيرة من المواد الذائبة. ^{[ 17 ] [ 18 ]} تبدو المواد الذائبة، أو ما يُعرف بـ "gelbstoff " (أي المادة الصفراء)، داكنة اللون ولكنها شفافة نسبيًا، تمامًا مثل الشاي. تمتص المواد الذائبة الضوء الأزرق بقوة أكبر من الضوء ذي الألوان الأخرى. غالبًا ما تأتي المواد العضوية الذائبة الملونة (CDOM) من تحلل المواد النباتية على اليابسة أو في المستنقعات ، أو من العوالق النباتية البحرية في المحيط المفتوح، حيث تفرز مواد ذائبة من خلاياها. ^{[ 19 ]}

في المناطق الساحلية، تُضيف مياه الأنهار الجارية وإعادة تعليق الرمال والطمي من القاع رواسب إلى المياه السطحية. وقد تجعل زيادة الرواسب المياه تبدو أكثر خضرةً أو اصفرارًا أو بنيةً، لأن جزيئات الرواسب تُشتت طاقة الضوء بجميع ألوانه. ^{[ 20 ]} وعند وجود كميات كبيرة، تُسبب الجزيئات المعدنية، مثل الرواسب، تحول لون الماء إلى البني في حال حدوث تراكم هائل للرواسب، ^{[ 21 ]} فيبدو الماء لامعًا ومعتمًا (غير شفاف)، تمامًا مثل حليب الشوكولاتة.

قد يظهر لون مياه المحيط أحمر اللون عند ازدهار نوع معين من العوالق النباتية، مما يُسبب تغير لون سطح البحر. ^{[ 22 ]} تُعرف هذه الظاهرة باسم " المد الأحمر ". مع ذلك، ليس كل المد الأحمر ضارًا، ولا يُعتبر ازدهارًا ضارًا للطحالب إلا إذا احتوى نوع العوالق على سموم خطرة. ^{[ 23 ]} ينشأ اللون الأحمر من أصباغ أنواع العوالق النباتية المُسببة للازدهار. ومن الأمثلة على ذلك: كارينيا بريفيس في خليج المكسيك، ^{[ 24 ]} وألكسندروم فاندينس في خليج مين، ^{[ 25 ]} ومارجاليفادينيوم بوليكرويدس وألكسندروم مونيلاتوم في خليج تشيسابيك، ^{[ 26 ]} وميزودينيوم روبروم في لونغ آيلاند ساوند. ^{[ 27 ]}

كتب الناس عن لون المحيط على مرّ القرون، بما في ذلك وصف الشاعر اليوناني القديم هوميروس الشهير لـ"البحر بلون النبيذ الداكن". وتعود القياسات العلمية للون المحيط إلى اختراع قرص سيكي في إيطاليا في منتصف القرن التاسع عشر لدراسة شفافية البحر ونقائه . ^{[ 33 ] [ 34 ]}

شهدت الستينيات والسبعينيات من القرن العشرين إنجازاتٍ هامة مهدت الطريق لحملات الاستشعار عن بُعد الحديثة لرصد لون المحيط. وكان كتاب نيلز غونار جيرلوف "علم المحيطات البصري" ، الذي نُشر عام 1968، ^{[ 35 ]} نقطة انطلاق للعديد من الباحثين في العقود اللاحقة. وفي عام 1970، نشر جورج كلارك أول دليل على إمكانية تقدير تركيز الكلوروفيل بناءً على الضوء الأخضر مقابل الضوء الأزرق المنبعث من الماء، كما تم قياسه من طائرة فوق بنك جورج . ^{[ 36 ]} وفي السبعينيات، ربط العالم هوارد غوردون وطالبه جورج مول صورًا من أول مهمة لبرنامج لاندسات بلون المحيط. ^{[ 37 ] [ 38 ]} وفي نفس الفترة تقريبًا، بدأت مجموعة من الباحثين، من بينهم جون أرفيسن والدكتورة إيلين ويفر والمستكشف جاك كوستو ، بتطوير أجهزة استشعار لقياس إنتاجية المحيط، بدءًا بجهاز استشعار محمول جوًا. ^{[ 39 ] [ 40 ]}

بدأ الاستشعار عن بُعد للون المحيط من الفضاء عام 1978 مع الإطلاق الناجح لجهاز ناسا الماسح الضوئي للمناطق الساحلية (CZCS) على متن القمر الصناعي نيمبوس-7. ورغم أن CZCS كانت مهمة تجريبية مصممة لتستمر عامًا واحدًا فقط لإثبات جدوى المفهوم، إلا أن المستشعر استمر في توليد بيانات قيّمة متسلسلة زمنيًا فوق مواقع اختبار مختارة حتى أوائل عام 1986. مرت عشر سنوات قبل أن تتوفر مصادر أخرى لبيانات لون المحيط مع إطلاق مستشعرات أخرى، ولا سيما مستشعر مجال الرؤية الواسع لرصد البحر ( SeaWiFS ) عام 1997 على متن القمر الصناعي سيستار التابع لناسا . ^{[ 41 ]} وشملت المستشعرات اللاحقة جهاز ناسا التصويري الطيفي متوسط ​​الدقة (MODIS) على متن قمري أكوا وتيرا الصناعيين، وجهاز وكالة الفضاء الأوروبية التصويري الطيفي متوسط ​​الدقة ( MERIS ) على متن قمرها الصناعي البيئي إنفيسات . أُطلقت مؤخرًا عدة أجهزة استشعار جديدة لرصد لون المحيط، منها جهاز مراقبة لون المحيط الهندي (OCM-2) على متن القمر الصناعي Oceansat-2 التابع لمنظمة أبحاث الفضاء الهندية ( ISRO )، وجهاز التصوير اللوني للمحيطات الثابت بالنسبة للأرض الكوري (GOCI)، وهو أول جهاز استشعار لوني للمحيطات يُطلق على متن قمر صناعي ثابت بالنسبة للأرض ، ومجموعة أجهزة قياس الإشعاع المرئي والأشعة تحت الحمراء ( VIIRS ) على متن القمر الصناعي Suomi NPP التابع لوكالة ناسا. وتخطط وكالات فضاء مختلفة لإطلاق المزيد من أجهزة استشعار لون المحيطات خلال العقد القادم، بما في ذلك أجهزة التصوير الطيفي الفائق . ^{[ 42 ]}

تُعتبر قياسات إشعاع لون المحيطات ومنتجاتها المشتقة منها من المتغيرات المناخية الأساسية وفقًا لنظام الرصد المناخي العالمي . ^{[ 43 ]} توفر مجموعات بيانات لون المحيطات المنظور العالمي الشامل الوحيد للإنتاج الأولي في المحيطات، مما يُتيح فهمًا أعمق لدور محيطات العالم في دورة الكربون العالمية . تُساعد بيانات لون المحيطات الباحثين على رسم خرائط للمعلومات ذات الصلة بالمجتمع، مثل جودة المياه ، والمخاطر التي تُهدد صحة الإنسان كازدهار الطحالب الضارة ، وقياس الأعماق ، والإنتاج الأولي، وأنواع الموائل التي تؤثر على مصائد الأسماك ذات الأهمية التجارية . ^{[ 44 ]}

الكلوروفيل كمؤشر للعوالق النباتية

تُعدّ قياسات تركيز الكلوروفيل-أ المستمدة من الأقمار الصناعية أكثر المعلومات استخدامًا في مجال الاستشعار عن بُعد للون المحيط. ويحسب الباحثون هذه القياسات بناءً على فرضية أساسية مفادها أنه كلما زاد وجود العوالق النباتية في الماء، زاد لونه الأخضر. ^{[ 46 ]}

العوالق النباتية هي طحالب مجهرية، تُعدّ من المنتجات الأولية البحرية التي تحوّل ضوء الشمس إلى طاقة كيميائية تدعم الشبكة الغذائية للمحيطات. ومثل النباتات على اليابسة، تُنتج العوالق النباتية الأكسجين اللازم للحياة الأخرى على الأرض. وقد مكّن الاستشعار عن بُعد لألوان المحيطات، منذ إطلاق مشروع SeaWiFS عام 1997، العلماء من رسم خرائط للعوالق النباتية - وبالتالي نمذجة الإنتاج الأولي - في جميع محيطات العالم على مدى عقود عديدة، ^{[ 47 ]} مما يُمثّل تقدماً كبيراً في فهم نظام الأرض.

تطبيقات أخرى

إلى جانب الكلوروفيل، تتضمن بعض الأمثلة على الطرق التي تُستخدم بها بيانات لون المحيط ما يلي:

ازدهار الطحالب الضارة

يستخدم الباحثون بيانات لون المحيط بالتزامن مع البيانات المناخية وعينات ميدانية للتنبؤ بتطور وانتشار الطحالب الضارة (المعروفة باسم "المد الأحمر"، مع العلم أن المصطلحين ليسا متطابقين تمامًا). على سبيل المثال، استُخدمت بيانات MODIS لرسم خرائط ازدهار طحالب كارينيا بريفيس في خليج المكسيك. ^{[ 48 ]}

الرواسب العالقة

يستخدم الباحثون بيانات لون المحيط لرسم خرائط امتداد أعمدة الأنهار وتوثيق إعادة تعليق الرواسب من قاع البحر بفعل الرياح. على سبيل المثال، بعد إعصاري كاترينا وريتا في خليج المكسيك ، استُخدم الاستشعار عن بُعد للون المحيط لرسم خرائط الآثار في عرض البحر. ^{[ 49 ]}

المستشعرات الموضحة أدناه هي مستشعرات فضائية تدور حول الأرض. يمكن تركيب المستشعر نفسه على عدة أقمار صناعية لتوفير تغطية أوسع على مدار الزمن (أي دقة زمنية أعلى). على سبيل المثال، يُركّب مستشعر MODIS على كلٍ من قمري Aqua وTerra الصناعيين. بالإضافة إلى ذلك، يُركّب مستشعر VIIRS على كلٍ من قمر Suomi National Polar-Orbiting Partnership (Suomi-NPP أو SNPP) وقمر Joint Polar Satellite System (JPSS-1، المعروف الآن باسم NOAA-20).

• الماسح الضوئي الملون للمنطقة الساحلية ( CZCS )
• مستشعر مجال الرؤية الواسع لمشاهدة البحر ( SeaWiFS ) على OrbView-2 (المعروف أيضًا باسم SeaStar)
• جهاز التصوير الطيفي متوسط ​​الدقة ( MODIS ) على متن قمري أكوا وتيرا الصناعيين
• مطياف التصوير متوسط ​​الدقة ( MERIS )
• استقطاب واتجاهية انعكاسات الأرض ( POLDER )
• جهاز تصوير لون المحيط الثابت بالنسبة للأرض ( GOCI ) على متن القمر الصناعي للاتصالات والمحيطات والأرصاد الجوية (COMS).
• جهاز مراقبة لون المحيط (OCM) على متن القمر الصناعي Oceansat-2
• ماسح لون ودرجة حرارة المحيط (OCTS) على متن القمر الصناعي المتقدم لرصد الأرض ( ADEOS )
• جهاز متعدد الأطياف (MSI) على متن القمر الصناعي Sentinel-2A والقمر الصناعي Sentinel-2B
• جهاز قياس لون المحيطات والأراضي (OLCI) على متن القمر الصناعي Sentinel-3A والقمر الصناعي Sentinel-3B
• مجموعة أجهزة قياس الإشعاع المرئي والأشعة تحت الحمراء ( VIIRS ) على متن قمري Suomi-NPP (SNPP) و NOAA-20 (JPSS1)
• جهاز التصوير التشغيلي للأراضي ( OLI ) على متن القمر الصناعي لاندسات-8
• جهاز التصوير الطيفي الفائق للمحيط الساحلي ( HICO ) على متن محطة الفضاء الدولية ^{[ 50 ] [ 51 ]}
• السلائف IperSpetrale della Missione التطبيقية ( PRISMA )
• هوك آي على متن القمر الصناعي المكعب سي هوك ^{[ 52 ]}
• جهاز قياس لون المحيط (OCI) وجهازان لقياس الاستقطاب على متن القمر الصناعي المخطط له لدراسة العوالق والهباء الجوي والسحب والنظام البيئي للمحيطات

صُممت أجهزة الاستشعار التالية لقياس لون المحيط من الطائرات لأغراض الاستشعار عن بعد المحمول جواً:

• مطياف التصوير المرئي/الأشعة تحت الحمراء المحمول جواً ( AVIRIS ) ^{[ 53 ]}
• جهاز تصوير لون المحيط المحمول جواً (AOCI) ^{[ 54 ]}
• تم تشغيل مطياف التصوير عن بعد المحمول (PRISM) لمشروع CORALS على متن طائرة Tempus Applied Solutions Gulfstream-IV (G-IV) ^{[ 55 ] [ 56 ]}
• نظام التصوير الطيفي الفائق للجدار الأمامي (HIS)
• حزمة مقياس الإشعاع البيولوجي البصري المحمول جواً الساحلي (C-AIR) ^{[ 57 ]}
• جهاز التصوير الطيفي المحمول جواً المدمج ( CASI ) ^{[ 58 ]}

على سطح الأرض، كما هو الحال على متن سفن الأبحاث ، أو في الماء باستخدام العوامات ، أو على الأرصفة والأبراج، تقوم أجهزة استشعار لون المحيط بأخذ قياسات تُستخدم لاحقًا لمعايرة بيانات أجهزة استشعار الأقمار الصناعية والتحقق من صحتها. تُعدّ المعايرة والتحقق نوعين من " التحقق الميداني " يتم إجراؤهما بشكل مستقل. المعايرة هي ضبط البيانات الأولية من جهاز الاستشعار لتتوافق مع قيم معروفة، مثل سطوع القمر أو قيمة انعكاس معروفة على سطح الأرض. تُجرى المعايرة طوال عمر أي جهاز استشعار، وهي بالغة الأهمية في المراحل الأولى من أي مهمة قمر صناعي عند تطوير جهاز الاستشعار وإطلاقه وبدء جمعه للبيانات الأولية. أما التحقق فهو مقارنة مستقلة للقياسات التي تُجرى في الموقع مع القياسات التي تُجرى من قمر صناعي أو جهاز استشعار محمول جوًا. ^{[ 59 ]} تحافظ معايرة الأقمار الصناعية والتحقق من صحتها على جودة بيانات الأقمار الصناعية الخاصة بلون المحيط. ^{[ 60 ] [ 61 ]} هناك أنواع عديدة من أجهزة الاستشعار الميدانية، وغالبًا ما تُقارن الأنواع المختلفة في حملات ميدانية مخصصة أو تجارب معملية تُسمى "المقارنة الدورية". تُحفظ البيانات الميدانية في مكتبات بيانات مثل أرشيف بيانات SeaBASS . ومن أمثلة أجهزة الاستشعار الميدانية (أو شبكات أجهزة الاستشعار المتعددة) المستخدمة لمعايرة بيانات الأقمار الصناعية أو التحقق من صحتها ما يلي:

• عوامة بصرية بحرية ( موبي )
• شبكة الروبوتات الهوائية ( AERONET )
• آلة بانثير ^{[ 62 ]}
• تريوس-رمسيس ^{[ 63 ]}
• نظام التنميط البصري المدمج (C-OPS) ^{[ 64 ]}
• أدوات HyperSAS و HyperPro ^{[ 65 ]}