Διερεύνηση της προέλευσης και διασποράς του αιωρούμενου υλικού στην ηπειρωτική υφαλοκρηπίδα του βορείου Αιγαίου Πελάγους, μέσω αξιοποίησης σύγχρονων μεθόδων τηλεπισκόπησης
Authors: Τσάπανου Αθηνά 
Published: March 2021

Η παρούσα διδακτορική διατριβή με τίτλο «Διερεύνηση της προέλευσης και διασποράς του αιωρούμενου υλικού στην ηπειρωτική υφαλοκρηπίδα του Βορείου Αιγαίου Πελάγους, μέσω αξιοποίησης σύγχρονων μεθόδων τηλεπισκόπησης» στοχεύει στην αξιοποίηση οπτικών μετρήσεων και την εφαρμογή καινοτόμων μεθόδων τηλεπισκόπησης για τη παρακολούθηση της διασποράς των ποτάμιων εκφορτίσεων στον εγγύς θαλάσσιο χώρο των εκβολών του Έβρου και Πηνειού ποταμού στο Βόρειο Αιγαίο.Η διερεύνηση της χωρικής διασποράς του αιωρούμενου υλικού (SPM) στο επιφανειακό θαλάσσιο στρώμα αποτελεί σημαντικότατο ωκεανογραφικό, αλλά και περιβαλλοντικό αντικείμενο μελέτης, καθώς έχει συνδεθεί τόσο με την ιζηματογένεση της υφαλοκρηπίδας και την πρωτογενή παραγωγή, όσο και με χημική ή ακόμη και ραδιενεργή ρύπανση των θαλάσσιων υδάτων από ρύπους χερσαίας προέλευσης. Η παρούσα διατριβή στοχεύει στη σύζευξη in-situ οπτικών μεθόδων με δεδομένα τηλεπισκόπησης, για την ανάκτηση των συγκεντρώσεων της αιωρούμενης ύλης, διερευνώντας τη φυσική μεταβλητότητα στη σχέση μεταξύ SPM και σκέδασης του φωτός από αιωρούμενα σωματίδια. Στα πλαίσια της συστημικής προσέγγισης για την εκτίμηση της διασποράς των ποτάμιων εκροών συνδυάζονται επίσης υδρολογικά και υδροδυναμικά δεδομένα, τόσο στην επιφάνεια, όσο και στη στήλη του νερού. Πιο συγκεκριμένα, πραγματοποιείται εκτίμηση της επιφανειακής αιωρούμενης ύλης από δεδομένα τηλεπισκόπησης (δορυφορικές εικόνες υψηλής χωρικής ανάλυσης Landsat-8 στο Θρακικό πέλαγος & Sentinel-2 στις εκβολές του Πηνειού), εφαρμόζοντας – εξελίσσοντας γενικευμένους αλγορίθμους της βιβλιογραφίας. Για την ακρίβεια της προσέγγισης, πραγματοποιείται βαθμονόμηση των δορυφορικών εκτιμήσεων σε τοπικό επίπεδο, χρησιμοποιώντας in-situ μετρήσεις ανακλαστικοτήτων σε μήκη κύματος αντίστοιχα των δύο δορυφόρων, ενώ από παράλληλες μετρήσεις οπτικών οργάνων ανακτώνται οι τιμές συγκεντρώσεων χλωροφύλλης, οπισθοσκέδασης και διαλυτής οργανικής ύλης. Ως αποτέλεσμα, αναπτύσσονται αλγόριθμοι για την εκτίμηση του αιωρούμενου υλικού σε κάθε μία περιοχή μελέτης και διερευνάται η εποχιακή διασπορά του. Παράλληλα, οι προαναφερόμενες μετρήσεις συνδυάζονται με in-situ υδρολογικά δεδομένα, καθώς και με την κυκλοφορία των επιφανειακών υδάτων, όπως αυτή προκύπτει από το υδροδυναμικό μοντέλο ELCOM, προκειμένου να διαμορφωθεί ένα ολοκληρωμένο εργαλείο αποτύπωσης της διασποράς του αιωρούμενου υλικού στο Β. Αιγαίο. Τέλος, γίνεται σύγκριση των δορυφορικών εικόνων Landsat & Sentinel, τόσο ως προς τα χαρακτηριστικά τους (χωρική και χρονική κάλυψη), όσο και ως προς την ακρίβεια και αξιοπιστία των εκτιμήσεων της αιωρούμενης ύλης. Από τον συνδυασμό των ταυτόχρονων μετρήσεων προκύπτει ότι οι κατανομές SPM επηρεάζονται έντονα από τις αλληλεπιδράσεις των υδάτινων μαζών, τη στρωμάτωσή τους, τις ποτάμιες εκροές και την κυκλοφορία των μαζών. Η επιφανειακή τους διασπορά εμφανίζει τις μέγιστες συγκεντρώσεις πλησίον των εκβολών, με σταδιακή μείωση προς την ανοικτή θάλασσα, ενώ οι διαφορές πυκνότητας ευνοούν τη διαμόρφωση αυξημένων συγκεντρώσεων. Επιπλέον, η συσχέτιση των αποτελεσμάτων του υδροδυναμικού μοντέλου με in-situ μετρήσεις επιβεβαιώνει αμφότερα την αξιοπιστία και ακρίβεια των δύο μεθόδων, ενισχύοντας στη μεν επιτόπια μέτρηση τα χαμηλά ποσοστά αβεβαιότητας κατά τη διεξαγωγή της και στην προσομοιωμένη εκτίμηση το χαμηλό εύρος σφάλματος. Από την επεξεργασία των οπτικών δεδομένων προκύπτει ότι το SPM εκτιμάται καλύτερα από την οπισθοσκέδαση στο κόκκινο φως, ενώ η σχέση μεταξύ SPM και οπισθοσκέδασης εξαρτάται από την οργανική / ανόργανη σύνθεση των αιωρούμενων σωματιδίων που προσφέρουν ευκαιρίες για τη βελτίωση αλγορίθμων ανάκτησης SPM. Από τους δορυφόρους Landsat- 8 & Sentinel-2, αφού εφαρμόστηκαν οι κατάλληλες ατμοσφαιρικές διορθώσεις κατά περίπτωση, ο προσδιορισμός των επιφανειακών συγκεντρώσεων SPM φθάνει σε ακρίβεια το 95%, ενώ και στις δύο περιπτώσεις (δορυφορικές εικόνες) το ποσοστό σφάλματος είναι μικρότερο από ~10%. Επιπλέον, ο συνδυασμός διαφορετικών φασματικών ζωνών του ορατού φάσματος φάνηκε να αποτελεί την πιο κατάλληλη μέθοδο προσδιορισμού SPM, συγκριτικά με τους αλγορίθμους μονού καναλιού, γεγονός που αποδίδεται στην επικράτηση των ανόργανων συστατικών στις περιοχές μελέτης, έναντι άλλων οπτικά ενεργών (π.χ. βιογενών) συστατικών. Το μοντέλο της εικόνας Sentinel-2 παρουσίασε μία βελτιωμένη προσαρμογή συμφωνίας 98%, με R2 = 0.95, έναντι του μοντέλου της εικόνας Landsat-8 με αντίστοιχο ποσοστό συμφωνίας 96% και R2 = 0.93. Η επικύρωση των τοπικών αλγορίθμων θεωρείται ότι απέδωσε και στις δύο περιπτώσεις υψηλή ακρίβεια εκτίμησης συγκεντρώσεων SPM, γεγονός που ενισχύει την αξιοπιστία τους, προσδίδοντας μεγάλες δυνατότητες στη μελέτη των παράκτιων διεργασιών της ευρύτερης περιοχής.