Kaugelt vaatamise kunst: veekogude kaugseire kosmosest ja veidi lähemalt (1)
18. oktoober 2020, 19:30
/nginx/o/2020/10/16/13418046t1h7456.jpg)
Kaugelt kosmosest paistab enamik veekogusid praktiliselt mustana, eriti võrreldes maismaaga. Nimelt on vesi selline aine, mis neelab peaaegu kogu sellele langenud kiirguse, kirjutab geofüüsik Tiit Kutser ajakirjas Horisont ilmunud loos.
Näiteks infrapunakiirguse või radarisignaali jaoks on vesi sisuliselt läbistamatu. Ainult väga väike osa vette tunginud nähtavast valgusest hajub veemolekulidelt ja vees leiduvatelt osakestelt tagasi ning tekitab sellega signaali, mida kaugseirajad saavad vee omaduste uurimisel kasutada.
Maismaa kaugseirajad kasutavad vee sellist omadust ära oma töös – nad eeldavad, et veest ei tule mingit kiirgust ning kogu satelliidiga vee kohal mõõdetud signaal on kiirgus, mis on hajunud tagasi atmosfäärist. Lahutades maismaa kohal mõõdetud signaalist mõne veekogu kohal mõõdetud signaali, saab seega maismaa kaugseireandmetes kergesti lahti atmosfääri mõjust. Veekogude kaugseirajad peavad kahjuks läbi ajama selle «mittemidagiga», mis veest siiski tagasi tuleb. See eeldab märkimisväärselt tundlikumate sensorite, aga ka keerukate meetodite kasutamist, et kogutud andmetest huvipakkuv info kätte saada.
Lisaks piirab vee kaugseirajaid ka kasutatava kiirguse lainepikkuste vahemik. Kuna vette suudab tungida ainult nähtav valgus, siis saab vee omaduste uurimisel kasutada ainult seda valgust ehk vee värvi. Loomulikult saab veekogude uurimisel kasutada erineva diapasooni kiirgusi, aga ainult veepinna omaduste uurimiseks. Näiteks radari abil on võimalik määrata veepinna karedust ning seeläbi hinnata lainetust ja tuule kiirust, aga ka tuvastada õlireostust. Samuti on kaugseirega võimalik määrata veepinna temperatuuri, aga sel juhul on uuritav vee pinnakiht veelgi õhem kui radaritega seiratav pealmine millimeeter vee pinnast.
Atmosfäärimõju eemaldamise kunst
Kuna veekogude kohal satelliidiga mõõdetud valgusest 95–99% on hajunud tagasi atmosfäärist, on veekogude kaugseires esmatähtis atmosfääri mõju eemaldamine. Väiksemgi viga selles on tihtipeale suurem kui kogu veest tulev kasulik signaal. Avaookeani vete puhul on atmosfäärikorrektsioon pisut lihtsam, aga madalas vees (kus põhi paistab), sogases vees (näiteks vetikaõitsengutes), järvedes või ka näiteks heledate objektide (maismaa, merejää) lähedal avaookeanis kasutatavad eeldused ei kehti. Seepärast on ranniku- ja sisevete atmosfäärikorrektsioon ikka veel pigem omamoodi kunst kui rutiinselt töötav teaduslik meetod.
Tihtipeale meenutavad kunstiteoseid ka veekogud ise. Näiteks ülalolevatel piltidel on kolmes erinevas valevärvi kombinatsioonis näha tsüanobakterite õitseng Soome lahes. Esmapilgul võib tegu olla abstraktse kunstiga, aga vilunud vaataja leiab piltidelt Lõuna-Soome saarestiku, pilved ja nende varjud, tõenäoliselt Aasia ja Euroopa sihtkohtade vahel lennanud lennuki kondensatsioonijälje ning hoovuste kujundatud tsüanobakterite mustrid, mida tuul on vorminud nendes kohtades, kus tsüanobakterid vaibana veepinnal ujusid. Tuvastatavad on ka õitsengutesse jäetud laevade «vaod». Terasem silm märkab piltidel isegi mõnda laeva.
Veekogude kaugseire on muidugi midagi enamat kui ilusate piltidega mängimine. Eelkõige on kaugseire abil mõistlik lahendada teadusprobleeme, mille jaoks kohtmõõtmisi ei piisa või on tavamõõtmistega vajaliku hulga andmete kogumine äärmiselt kallis ja aeganõudev. Näiteks uurimislaeva päev merel maksab tuhandetest kümnete tuhandete eurodeni (sõltuvalt laeva suurusest). Päeva jooksul jõuab sellega mõõtmisi teha suhteliselt vähestes kohtades ning tihtipeale võtab kogutud andmete (veeproovide) analüüs laboris nädalaid või kuid. Taolised mõõtmised annavad küll väga detailseid andmeid selle kohta, mis toimus meres ühel ajahetkel ja teatud kohas, aga näiteks rannikuvetes võib vesi mõnisada meetrit uurimislaevast eemal või mõni tund hiljem olla täiesti teistsugune (vt allolevat fotot). See jääb meil kohtmõõtmistega alatiseks teadmata.
Kaugseirega on võimalik uurida suuri alasid ning teha seda tunduvalt sagedamini, kui on võimalik teha kohtmõõtmisi. Selleks on kõigepealt vaja välja töötada meetodid, kuidas leida „vee värvist“ meid huvitavate parameetrite väärtusi – näiteks vees leiduvate ainete kontsentratsioone – ning tuvastada merepõhjas kasvavate vetikate, taimede ja korallide rühmi, hinnata vee sügavust, jne. Kaugseire abil tehtud hinnangud ei saa kunagi olla nii täpsed kui laborianalüüside tulemused (kuigi ka neil on tihtipeale suhteliselt suured vead). Kokkuvõttes oleme silmitsi filosoofilise küsimusega: kumb on täpsem – kas kirjeldada tervet merd või järve vahel harva võetud paari ämbritäie täpsemate meetoditega analüüsitud vee abil või hoopis iga päev kogu merd või järve katvate kaugseirepiltide abil? Ilmselt on vaja siiski mõlemat.
Satelliidipiltide abil täpsustus järvede roll süsinikuringes
Probleemid, mida Eestigi veekogude kaugseirajad lahendada aitavad, on väga mitmekesised. Näiteks kümmekond aastat tagasi olid kliimateadlased arvamusel, et järvedel ja jõgedel ei ole globaalses süsinikuringes praktiliselt mingit rolli, sest need katavad väga väikese osa Maa pinnast. Limnoloogidel oli küll mõningaid kahtlusi, kas siseveed ikka on lihtsalt «torud», mis transpordivad süsinikku maismaalt ookeanidesse. Mõne tuhande järve andmete ekstrapoleerimine kogu maakerale viitas sellele, et tegelikult on just järved need kohad, kus orgaanilise süsinikuga toimub suur hulk protsesse – osa süsinikust settib järvede põhja, osa lendub süsihappegaasi või metaanina, osa jõuab lõpuks meredesse ja ookeanidesse.
Kümmekond aastat tagasi ei olnud aga teada sedagi, kui palju on Maal järvi ning kui suured need on. Globaalse hinnangu andmiseks kasutati järvede hulga kohta statistilist hinnangut, mis oli mitmete teadlaste arvates pisut vildakas. Järvede rolli täpsustamiseks süsinikuringes oli kõigepealt vaja leida, kui palju on maailmas järvi ning kui suure pindala need katavad.
Selle loo autor ja hiljem ka üks tema juhendatavatest võtsid ette kogu maakera katvad parima võimaliku lahutusega tasuta saadaolevad satelliidipildid ning lugesid kõik järved kokku. Kui eespool oli juttu, et vesi on maismaast väga selgelt erinev, siis päris alati see nii ei ole. Näiteks pilvede ja mägede varjud ning tihedad okasmetsad võivad kosmosest paista järvedena, eriti kui kasutatava satelliidi tehnilised võimalused on piiratud. Samas võivad väga sogased järved olla kosmosest vaadatuna pea sama heledad kui maismaa. Kosmosest paistab tihtipeale ka järvede põhi, mis on sarnane maismaaga, ning järvede kallastel on sageli taimestikku (roostikud, ujulehtedega taimed). Kõik see muudab vee ja maa automaatse eristamise üsna keeruliseks. Järvede satelliidipiltidelt loendamiseks vastavaid meetodeid arendades ja rakendades tuli välja, et neid on Maal ainult 117 miljonit, mitte 304 miljonit, nagu varem statistilise hinnangu järgi arvati. Järvede kogupindala osutus seejuures aga arvatust suuremaks.
Kaugseire tulemusi erinevate mudelite ning mõnes tuhandes järves tehtavate mõõtmiste tulemustega kombineerides on nüüd leitud, et aastas järvede põhja settiv süsiniku hulk on suurem kui samal ajal maismaalt ookeanidesse jõudva süsiniku kogus. Samas lendub järvedest süsinikku rohkem, kui seda jõuab ookeanidesse. Ehk siis tegelikult toimub järvedes suur süsiniku ümbertöötlemine. See teadmine on nüüd jõudnud ka kliimateadlasteni. Näiteks viimane valitsustevahelise kliimamuutuste nõukogu (Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC) raport võtab süsinikuringes arvesse ka siseveekogusid.
Vahepeal on satelliidid märgatavalt arenenud ning nüüd on kaugseirega võimalik teoreetiliselt hinnata ka järvede vees oleva orgaanilise süsiniku kogust, mitte ainult järvede endi hulka ja nende pindala. Ehk siis töö käib, et arendada välja piisavalt täpsed meetodid, millega saaks kaugseire abil välja selgitada, kui palju on maailma järvedes kokku orgaanilist süsinikku.
Igapäevaelulised väljundid
Samadel kaugseirealgoritmidel, mida on vaja globaaluuringuteks, on tegelikult ka igapäevane praktiline väljund. Nimelt toodetakse paljudes maailma kohtades joogivett järveveest. Vee puhastamiseks kasutatakse ärastamisaineid ja muid kemikaale, mis on suhteliselt kallid ning vajavad täpset doseerimist. Kaugseire abil on võimalik hinnata, millal jõuab tugeva vihmavalingu tõttu muutunud süsinikusisaldusega vesi veepuhastusjaamani, ning muuta vastavalt kasutatavate kemikaalide koguseid. Samamoodi on võimalik tuvastada ja seirata potentsiaalselt toksilisi tsüanobaktereid (sinivetikaid), et vajadusel muuta veepuhastusprotsessi seadeid või joogivee tootmine hoopis sulgeda.
Tsüanobakterite seire on aktuaalne ka Läänemeres ja meie järvedes. Praegu kasutatakse seda põhiliselt suplusvees peituda võivate ohtude tuvastamiseks. Vesiviljeluse laienedes muutub aina olulisemaks ka farmide kaitse. Näiteks Norras on toksiliste vetikaõitsengute ajal lõhede ujuvsumpasid kaugseireandmete alusel ohutumasse kohta kolitud. Kasvanduste kolimine on väga kallis, aga kindla ohu piirkonnast kolimata jätmine võib lõppeda kogu saagi hävinguga.
Kaugseirega on võimalik kaitsta ja parandada ka kalakoelmute olukorda. Näiteks madalates rannikuvetes on võimalik sel moel tuvastada kohad, mis olude poolest (sügavus, põhjataimestiku tüüp) sobivad enim erinevatele kalaliikidele kudemiseks. Sel juhul on võimalik neid paiku merealade ruumilise planeerimisega kaitsta inimtegevuse erinevate mõjude eest. Lisaks leidub näiteks Saaremaal ohtralt maakerke tõttu kinnikasvavaid rannalahtesid. Nii mõnigi neist võiks sobida kalade kudealaks, kui ühendust avamerega pisut parandada. Millistes rannalahtedes oleks selline tegevus mõttekas, uurivad praegu erinevate valdkondade teadlased RITA-programmi (Euroopa regionaalarengu fondi toetatav programm, mille kaudu rahastatakse Eesti riigi vajadustest lähtuvaid sotsiaalmajanduslike eesmärkidega rakendusuuringuid – toim) projekti raames.
Kirjeldatud tegevuste juures on esmane küsimus, milliseid kaugseiresensoreid on kõige otstarbekam kasutada. Droonidega saab uurida väga väikeseid alasid, aga see-eest hästi detailselt. Lennukiga saab uurida tunduvalt laiemaid alasid ja tihtipeale on nendel kasutatavad sensorid parema spektraalse lahutusega kui droonidel või satelliitidel. Samas on lennukiga väga suurte alade uurimine ja kaardistamine suhteliselt kallis. Tasuta saadaolevate satelliidipiltide ruumiline ja spektraalne lahutus ei pruugi olla piisavalt hea. Mõne probleemi lahendamiseks võib piisata kolme spektrikanaliga riistast (nagu videokaamera). Samas on osa probleemide lahendamiseks kindlasti vaja spektromeetreid, mis suudavad jagada vee värvi kümneteks või sadadeks lainepikkusteks. Erinevate sensorite ruumilise lahutuse erinevusi iseloomustab allolev joonis.
Arenev tehnoloogia avardab võimalusi
Tänapäeval ei ole veekogude kaugseire pelgalt satelliitidele toetuv teadusharu. Kiiresti arenevad nii kõikvõimalikud sensorite kandjad, sensorid ise kui ka nendega kogutud andmete töötlemise meetodid. Kui näiteks hiljaaegu kasutati väiksematel droonidel põhiliselt videokaameraid (kolme spektrikanaliga kaugseiresensoreid), siis praegusel ajal on rakenduses juba 100–200-grammised sensorid, mis suudavad veest tulevat kiirgust mõõta kümnetel lainepikkustel ehk siis koguda tunduvalt detailsemat informatsiooni. Veel mõned aastad tagasi oli selline informatsioon kogutav vaid lennukitelt palju mahukama ja kallima aparatuuriga.
Kaugseireandmeid ei koguta ainult lennuvahenditelt. Sensoreid leidub ka reisi- ja kaubalaevadel, poidel, muulidel ning sadamakaidel. Viimastega kontrollitakse põhiliselt lennukitelt ja satelliitidelt saadud andmete õigsust, kuid aina enam kasutatakse selliseid seadmeid ka iseseisvate kaugseireinstrumentidena – need edastavad reaalajas infot veekvaliteedi näitajate kohta.
Kaugseire abil merepõhja kaardistamiseks on loodud isegi süvaveeaparaadid. Sensoritena rakendatakse neil tavaliselt lennukil kasutatavaid spektromeetreid, mis on paigutatud veekindlasse korpusesse. Lisaks veekindlale kestale vajab säärane mõõtekompleks ka valgusallikaid, sest merepõhjas valitseb ju pilkane pimedus. Veel hiljaaegu oli veealuste seadmetega saadud piltide tõlgendamisega probleeme, sest ebaühtlase põhjareljeefi ja valgustatuse tõttu ei ole võimalik uuritavat objekti alati ühesuguselt kauguselt pildistada. Videokaadrite erinev heledus ja algeline objektide tuvastamise tarkvara ei võimaldanud hästi tuvastada ning kaardistada merepõhjas olevaid objekte ega isegi üksikutest kaadritest korralikku tervikpilti kokku panna.
Praeguseks on need mured murtud. Videokaadritest kiiresti kolmemõõtmelise mudeli koostamise tarkvara on juba kasutuses ka tavaelus. Näiteks hambaarstid suudavad videokaamera, tarkvara ja pisikese freespingi abil suus tehtud videokaadrite põhjal valmistada filigraanselt sobiva asenduse murdunud hambale või teha terve implantaadi ning seda vaid loetud minutitega. Vee all on sellised mõõtmised pisut keerukamad, sest vesi neelab valgust palju tugevamini kui õhk, aga tehnoloogia tööpõhimõtted on siiski samad.
Tavapäraselt lennukil paiknevaid seadmeid saab kasutada ka laboriuuringutes. Kui tuua selline seade kõrgustest uuritavale objektile lähemale, siis paraneb oluliselt ka piltide ruumiline lahutus ning sellega võib muutuda ka seadme kasutusala. Näiteks Eesti mereinstituudi spektromeetri HySpex lennukilt laborisse kolimisega väheneb piltide ruumiline lahutus kümnetelt sentimeetritelt kümnendikuni millimeetrist. Sellise ruumilise lahutusega on näiteks võimalik uurida koralle või (vee)taimi neid kahjustamata. Samas pole selle võimalikud kasutusalad piiratud ainult veega, vaid need võivad ulatuda mineroloogiast ja mullateadusest meditsiinini.
Vete liigirikkuse hindamine
Kalakoelmute olukorra seiramiseks, merealade ruumiliseks planeerimiseks, meresõidu ohutuse tagamiseks ja paljude teiste probleemide lahendamiseks on vaja teada vee sügavust ning põhja reljeefi. Üldjuhul kaardistatakse merepõhja sonaritega. Suur osa Eesti rannikuvetest on hüdrograafialaevaga ligipääsemiseks aga liiga madal või rändrahne täis. Rannalahtedest pole mõtet rääkidagi, sest mõni neist on raskesti ligipääsetav isegi jalgsi. Seepärast pole imestada, et uusimad sügavusandmed madalate (vähem kui 4–5 m) alade kohta Eesti ametlikul merekaardil põhinevad aastal 1953 ja enne seda tehtud mõõtmistel. Samas me teame, et iga suurem torm ning jää talvine liikumine muudavad nii merepõhja reljeefi kui rannajoont. Kaugseirega on sellised madalatel rannikualadel toimuvad muutused suhteliselt lihtsalt kaardistatavad.
Madalatel merealadel saab kaugseire abil kaardistada ka põhjataimestiku või pisut soojemates maades korallrahude seisundit. Merepõhja varieeruvus kaugseirepiltidel iseloomustab üsna hästi bioloogilist mitmekesisust – seejuures mitte ainult kaugseirega nähtavat taimestikku, vaid ka selle liigirikkusega seotud loomastiku mitmekesisust. Põhjataimestiku koosluste koosseis ning neis toimuvad muutused on vee ökoloogilise seisundi indikaatorid. Rannikul ja merepõhjas elutsevad vetikad ja taimed seovad suures koguses toitaineid ja süsinikku. Kui maismaa (põllud, metsad jne) osa Eesti süsinikubilansis on juba teada, siis rannikumere ja järvede taimestiku rolli kindlakstegemine selles on alles algusjärgus. Ehk siis teemaring, mida kaugseirega järvede ja merede madalates osades uurida saab, on väga lai.
Doktorikraadiga vee kaugseirajate hulga poolest ühe elaniku kohta on Eesti tõenäoliselt maailmas liidripositsioonil. Kõrgelt hinnatud on ka Eesti teadlaste teaduslik tase. Seda kinnitab kas või see, et meie teadlased juhivad Euroopa kosmoseagentuuri, Euroopa teadusuuringute ja innovatsiooni rahastamisprogrammi Horisont 2020 ning teiste rahvusvaheliste programmide veekogude kaugseireprojekte. Ühtlasi on nad laialdaselt kaasatud uurimisprojektidesse ning oma ala rahvusvahelistesse organisatsioonidesse. Loodetavasti jõuavad vee kaugseirajate teadusliku töö tulemused järjest enam ka erinevatesse praktilistesse rakendustesse, alates veekogude seisundi seirest kuni ruumilise planeerimise, kalanduse ning vesiviljeluse toetamiseni.
Tiit Kutser (1964) on geofüüsik ja okeanoloog. Töötab Tartu Ülikooli Eesti mereinstituudis kaugseire ja mereoptika juhtivteadurina.
