Divya Basuti

Detection and Analysis of Internal Waves Using Satellite Imagery of the North Indian

Ocean 

Institute of Science and Technology, JNTU HyderabadCenter for EnvironmentEnvironmental Geomatics

Supervisor: Dr. N. Srinivasa Rao, Scientist and In charge, SDAPD, INCOIS

The Ocean: The Final Frontier?

Introduction

Internal waves are gravity waves that oscillate within rather than on the surface of a fluid medium.

Fig: Internal waves near Strait of Gibraltar 

For internal waves to exist, the fluid must be stratified. 

Stratification : Density decreases continuously with height due to changes in temperature or salinity or both.

Fig: Layers of ocean according to temperature and density

The layered nature of the ocean causes the shallower water which is warmer, less salty, and lighter to overlay deeper water which is  colder, saltier, and denser.

Internal waves forms at the interface between the layers

Fig: Internal wave formation at the interface of the two different densities

Internal waves can be initiatedand set in motion by the following:

•Tides

•Wind stress 

•Boats and submarine movement

•Currents moving over underwater topography (ridges)

Fig: Tides

Fig: Boat and Submarine movement

Fig: Wind Stress

Fig: Underwater ridges

Fig: Dead water

Data used:

Level 1B data at 250 M from the Moderate Resolution Imaging Spectroradiometer (MODIS) onboard the Aqua and Terra satellites.

Fig: MODIS onboard AQUA satellite

Methodology

The MODIS level 1B data product at 250M resolution can be downloaded from the MODIS website in HDF.

Fig: MODIS website

They are converted into TIFF using the MODIS Swath Reprojection Tool available for download at the NASA website

Fig: MODIS swath reprojection Tool

The TIFF images can now be used in ERDAS IMAGINE software after they are layer stacked and saved with an .img extension

Fig: Erdas Imagine software

Visualization:

Reflectance pattern of sunlight off the ocean surface (sunglint) to be used to identify high frequency Internal wave.

Fig: Sunglint image of Indian Ocean

In absence of sunglint image processing methods such as contrast stretching can also be used to visualize internal waves.

Fig: Before and after Contrast stretching

Image Enhancement:

Fig. False color composite

Fig. Histogram Stretching

Pre Image Enhancement Post Image Enhancement

Fig: Before and after Image Enhancement using Histogram stretching technique 

Identification:

The waves manifest themselves as alternating bandsof light and dark quasilinear strips that remain coherentover tens to hundreds of kilometers lasting several hours.

Fig: Visualization of internal waves by observing the alternating dark and light strips

AQUA-MODIS13:35 Hrs

Fig: Shift in position of wave packet between TERRA MODIS pass and  AQUA MODIS pass. 

TERRA-MODIS10:30 Hrs

Fig: Wave propagate and persists for several hours, Establishing that they are internal waves 

Why study Internal waves?

Play a role in:

•Ocean circulation•Heat distribution •Plankton distribution

Affect the Performance of:

•Underwater technology•Acoustic communication•Marine cabling •Submerged vessels  and vehicles•Underwater sound propagation

Fig: ocean circulation

Fig: submarine communication through SONAR

Fig: plankton distribution

Advantage of using MODIS data instead of SAR images in the study

Although IWs can be observed easily in SAR, these images are usually very expensive.Therefore in this project, We use the satellite ocean colour images, at no cost and easily available to the public, to detect IWs.

Fig: SAR image Fig: MODIS True Color Image

Conclusion:

 Image enhancement techniques such as contrast stretching have been used in this study, in conjunction with the sunglint effect to better visualize internal waves.

Limitations and Recommendations:

 The obstruction of desired feature by clouds is a very common problem encounter during detection of internal waves, as cloud cover is seen on about 67 percent of the Earth's surface at any given time, and less than 10 percent of the skies over the ocean are clear. In further studies, this can be overcome by using the cloud mask algorithm. 

Bibliography•seafriends.org.nz/oceans/waves.htm•earthobservatory.nasa.gov•incois.gov.in•chapter7.tulaneuniversity.com•taylorandfrancis.com•http://www.nasa.gov/centers/goddard•http://modis.gsfc.nasa.gov/

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