Scientia Marina, Vol 76, No S1 (2012)

A new space technology for ocean observation: the SMOS mission


https://doi.org/10.3989/scimar.03621.19K

Jordi Font
SMOS Barcelona Expert Centre, Institut de Ciències del Mar/Unitat de Tecnologia Marina, CSIC - Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions, Universitat Politècnica de Catalunya, Spain

Joaquim Ballabrera-Poy
SMOS Barcelona Expert Centre, Institut de Ciències del Mar/Unitat de Tecnologia Marina, CSIC - Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions, Universitat Politècnica de Catalunya, Spain

Adriano Camps
SMOS Barcelona Expert Centre, Institut de Ciències del Mar/Unitat de Tecnologia Marina, CSIC - Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona, Spain

Ignasi Corbella
SMOS Barcelona Expert Centre, Institut de Ciències del Mar/Unitat de Tecnologia Marina, CSIC - Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona, Spain

Núria Duffo
SMOS Barcelona Expert Centre, Institut de Ciències del Mar/Unitat de Tecnologia Marina, CSIC - Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona, Spain

Israel Duran
SMOS Barcelona Expert Centre, Institut de Ciències del Mar/Unitat de Tecnologia Marina, CSIC - Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona, Spain

Mikhail Emelianov
SMOS Barcelona Expert Centre, Institut de Ciències del Mar/Unitat de Tecnologia Marina, CSIC - Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona, Spain

Luis Enrique
SMOS Barcelona Expert Centre, Institut de Ciències del Mar/Unitat de Tecnologia Marina, CSIC - Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona - Institut de Ciències Fotòniques, Castelldefels, Spain

Pere Fernández
SMOS Barcelona Expert Centre, Institut de Ciències del Mar/Unitat de Tecnologia Marina, CSIC - Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona, Spain

Carolina Gabarró
SMOS Barcelona Expert Centre, Institut de Ciències del Mar/Unitat de Tecnologia Marina, CSIC - Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona, Spain

Cristina González
SMOS Barcelona Expert Centre, Institut de Ciències del Mar/Unitat de Tecnologia Marina, CSIC - Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona - Institut Català de Ciències del Clima, Barcelona, Spain

Verónica González
SMOS Barcelona Expert Centre, Institut de Ciències del Mar/Unitat de Tecnologia Marina, CSIC - Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona, Spain

Jérôme Gourrion
SMOS Barcelona Expert Centre, Institut de Ciències del Mar/Unitat de Tecnologia Marina, CSIC - Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona, Spain

Sébastien Guimbard
SMOS Barcelona Expert Centre, Institut de Ciències del Mar/Unitat de Tecnologia Marina, CSIC - Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona, Spain

Nina Hoareau
SMOS Barcelona Expert Centre, Institut de Ciències del Mar/Unitat de Tecnologia Marina, CSIC - Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona, Spain

Agustí Julià
SMOS Barcelona Expert Centre, Institut de Ciències del Mar/Unitat de Tecnologia Marina, CSIC - Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona, Spain

Sofia Kalaroni
SMOS Barcelona Expert Centre, Institut de Ciències del Mar/Unitat de Tecnologia Marina, CSIC - Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona, Spain

Anna Konstantinidou
SMOS Barcelona Expert Centre, Institut de Ciències del Mar/Unitat de Tecnologia Marina, CSIC - Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona - Hellenic Centre for Marine Research, Anavyssos, Greece

Alfredo L. Aretxabaleta
SMOS Barcelona Expert Centre, Institut de Ciències del Mar/Unitat de Tecnologia Marina, CSIC - Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona -US Geological Survey, Woods Hole, Massachusetts, United States

Justino Martínez
SMOS Barcelona Expert Centre, Institut de Ciències del Mar/Unitat de Tecnologia Marina, CSIC - Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona, Spain

Jorge Miranda
SMOS Barcelona Expert Centre, Institut de Ciències del Mar/Unitat de Tecnologia Marina, CSIC - Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona - Dep. Teoría de la Señal y Comunicaciones, Univ. Alcalá de Henares, Spain

Alessandra Monerris
SMOS Barcelona Expert Centre, Institut de Ciències del Mar/Unitat de Tecnologia Marina, CSIC - Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona - Civil Engineering, Monash Univ., Clayton, Australia

Sergio Montero
SMOS Barcelona Expert Centre, Institut de Ciències del Mar/Unitat de Tecnologia Marina, CSIC - Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona, Spain

Baptiste Mourre
SMOS Barcelona Expert Centre, Institut de Ciències del Mar/Unitat de Tecnologia Marina, CSIC - Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona - NATO Undersea Research Centre, La Spezia, Italy

Miriam Pablos
SMOS Barcelona Expert Centre, Institut de Ciències del Mar/Unitat de Tecnologia Marina, CSIC - Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona, Spain

Fernando Pérez
SMOS Barcelona Expert Centre, Institut de Ciències del Mar/Unitat de Tecnologia Marina, CSIC - Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona, Spain

Maria Piles
SMOS Barcelona Expert Centre, Institut de Ciències del Mar/Unitat de Tecnologia Marina, CSIC - Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona, Spain

Marcos Portabella
SMOS Barcelona Expert Centre, Institut de Ciències del Mar/Unitat de Tecnologia Marina, CSIC - Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona, Spain

Roberto Sabia
SMOS Barcelona Expert Centre, Institut de Ciències del Mar/Unitat de Tecnologia Marina, CSIC - Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona - ESA-ESRIN, Frascati, Italy

Joaquín Salvador
SMOS Barcelona Expert Centre, Institut de Ciències del Mar/Unitat de Tecnologia Marina, CSIC - Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona, Spain

Marco Talone
SMOS Barcelona Expert Centre, Institut de Ciències del Mar/Unitat de Tecnologia Marina, CSIC - Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona - Serco Spa, Frascati, Italy

Francesc Torres
SMOS Barcelona Expert Centre, Institut de Ciències del Mar/Unitat de Tecnologia Marina, CSIC - Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona, Spain

Antonio Turiel
SMOS Barcelona Expert Centre, Institut de Ciències del Mar/Unitat de Tecnologia Marina, CSIC - Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona, Spain

Mercè Vall-Llossera
SMOS Barcelona Expert Centre, Institut de Ciències del Mar/Unitat de Tecnologia Marina, CSIC - Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona, Spain

Ramón Villarino
SMOS Barcelona Expert Centre, Institut de Ciències del Mar/Unitat de Tecnologia Marina, CSIC - Departament de Teoria del Senyal i Comunicacions, Universitat Politècnica de Catalunya, Barcelona - Dept. Eng. Electrònica, Elèctrica i Automàtica, Univ. Rovira i Virgili, Spain

Abstract


Capability for sea surface salinity observation was an important gap in ocean remote sensing in the last few decades of the 20th century. New technological developments during the 1990s at the European Space Agency led to the proposal of SMOS (Soil Moisture and Ocean Salinity), an Earth explorer opportunity mission based on the use of a microwave interferometric radiometer, MIRAS (Microwave Imaging Radiometer with Aperture Synthesis). SMOS, the first satellite ever addressing the observation of ocean salinity from space, was successfully launched in November 2009. The determination of salinity from the MIRAS radiometric measurements at 1.4 GHz is a complex procedure that requires high performance from the instrument and accurate modelling of several physical processes that impact on the microwave emission of the ocean’s surface. This paper introduces SMOS in the ocean remote sensing context, and summarizes the MIRAS principles of operation and the SMOS salinity retrieval approach. It describes the Spanish SMOS high-level data processing centre (CP34) and the SMOS Barcelona Expert Centre on Radiometric Calibration and Ocean Salinity (SMOS-BEC), and presents a preliminary validation of global sea surface salinity maps operationally produced by CP34.

Keywords


remote sensing; ocean salinity; microwave radiometry; interferometry; SMOS mission; salinity maps; validation

Full Text:


PDF

References


Antonov J. I., Seidov D., Boyer T.P., Locarnini R.A., Mishonov A.V., Garcia H.E., Baranova O.K., Zweng M.M., Johnson D.R. 2010. World Ocean Atlas 2009, Volume 2: Salinity. In: Levitus S. (ed.) NOAA Atlas NESDIS 69, U.S. Government Printing Office, Washington, D.C., 184 pp.

Born G.H., Dunne J.A., Lame D.B. 1979. Seasat mission overview. Science 204: 1405-1406. http://dx.doi.org/10.1126/science.204.4400.1405 PMid:17814195

Boutin J., Martin N. 2006. ARGO upper salinity measurements: Perspectives for L-band radiometers calibration and retrieved sea surface salinity validation, IEEE Geosci. Remote S. 3: 202-206. http://dx.doi.org/10.1109/LGRS.2005.861930

Boutin J., Martin N., Yin X., Font J., Reul N., Spurgeon P. 2012. First assessment of SMOS measurements over open ocean: Part II sea surface salinity. IEEE T. Geosci. Remote 50: 1662-1674. http://dx.doi.org/10.1109/TGRS.2012.2184546

Brown M.A., Torres F., Corbella I., Colliander A. 2008. SMOS calibration. IEEE T. Geosci. Remote 46: 646-658. http://dx.doi.org/10.1109/TGRS.2007.914810

Camps A., Font J., Vall-llossera M., Gabarró C., Corbella I., Duffo N., Torres F., Blanch S., Aguasca A., Villarino R., Enrique L., Miranda J., Arenas J.J., Julià A., Etcheto J., Caselles V., Weill A., Boutin J., Contardo S., Niclòs R., Rivas R., Reising S.C., Wursteisen P., Berger M., Martín-Neira M. 2004. The WISE 2000 and 2001 field experiments in support of the SMOS mission: sea surface L-band brightness temperature observations and their application to sea surface salinity retrieval. IEEE T. Geosci. Remote 42: 804-823. http://dx.doi.org/10.1109/TGRS.2003.819444

Chic O., Font J., Sandven S. 1997. ERS-2 SAR near real time data used in the sampling strategy of an oceanographic cruise in the western Mediterranean. In: Guyenne T.D., Danesy D. (eds.), Space at the service of our environment. 3rd ERS-1 Symposium, ESA Publication SP-414, pp. 1433-1438.

Corbella I., Duffo N., Vall-llossera M., Camps A., Torres F. 2004. The visibility function in interferometric aperture synthesis radiometry. IEEE T. Geosci. Remote 42: 1677-1682. http://dx.doi.org/10.1109/TGRS.2004.830641

Drinkwater M., Kerr Y.H., Font J., Berger M. 2009. Exploring the water cycle of the blue planet. The Soil Moisture and Ocean Salinity mission. ESA Bull-Eur Space 137: 6-15.

Font J., Lagerloef G.S.E., Le Vine D.M., Camps A., Zanifé O.Z. 2004. The determination of surface salinity with the European SMOS space mission. IEEE T. Geosci. Remote 42: 2196-2205. http://dx.doi.org/10.1109/TGRS.2004.834649

Font J., Camps A., Ballabrera-Poy J. 2008. Microwave aperture synthesis radiometry: Setting the path for operational sea salinity measurement from space. In: Barale V., Gade M. (eds.), Remote sensing of European seas. Springer-Verlag, pp. 223-238. http://dx.doi.org/10.1007/978-1-4020-6772-3_17

Font J., Camps A., Borges A., Martín-Neira M., Boutin J., Reul N., Kerr Y.H., Hahne A., Mecklenburg S. 2010. SMOS: The challenging measurement of sea surface salinity from space. P. IEEE 98: 649-665. http://dx.doi.org/10.1109/JPROC.2009.2033096

Font J., Boutin J., Reul N., Spurgeon P., Ballabrera-Poy J., Chuprin A., Gabarró C., Gourrion J., Hénocq C., Lavender S., Martin N., Martínez J., McCulloch M., Meirold-Mautner I., Mugérin C., Petitcolin F., Portabella M., Sabia R., Talone M., Tenerelli J., Turiel A., Vergely J.L., Waldteufel P., Yin X., Zine S., Delwart S. 2012. SMOS first data analysis for sea surface salinity determination. Int. J. Rem. Sens. (in press). http://dx.doi.org/10.1080/01431161.2012.716541

Gower J.F.R. 2010. Oceans from space, a once-a-decade review of progress: Satellite oceanography in a changing world. In: Barale V., Gower J.F.R., Alberotanza L. (eds.), Oceanography from Space. Springer Science+Business Media B.V., pp. 1-12.

Guimbard S., Gourrion J., Portabella M., Turiel A., Gabarró C., Font J. 2012. SMOS semi-empirical ocean forward model adjustment. IEEE Trans. Geosci. Remote 50: 1676-1687. http://dx.doi.org/10.1109/TGRS.2012.2188410

Hurlburt H.E., Brassington G.B., Drillet Y., Kamachi M., Benkiran M., Bourdallé-Badie R., Chassignet E.P., Jacobs G.A., Le Galloudec O., Lellouche J.M., Metzger E.J., Oke P.R., Pugh T.F., Schiller A., Smedstad O.M., Tranchant B., Tsujino H., Usui N., Wallcraft A.J. 2009. High-resolution global and basin-scale ocean analyses and forecasts. Oceanography 22: 110-127. http://dx.doi.org/10.5670/oceanog.2009.70

Kerr Y.H., Waldteufel P., Wigneron J.P., Martinuzzi J.M., Font J., Berger M. 2001. Soil moisture from space: the Soil Moisture and Ocean Salinity (SMOS) mission. IEEE T. Geosci. Remote 39: 1729-1735. http://dx.doi.org/10.1109/36.942551

Kerr Y.H., Waldteufel P., Wigneron J.P., Delwart S., Cabot F., Boutin J., Escorihuela M.J., Font J., Reul N., Gruhier C., Juglea S.E., Drinkwater M.R., Hahne A., Martín-Neira M., Mecklenburg S. 2010. The SMOS mission: New tool for monitoring key elements of the global water cycle. P. IEEE 98: 666-687. http://dx.doi.org/10.1109/JPROC.2010.2043032

Klein L.A., Swift C.T. 1977. Improved model for dielectric constant of sea-water at microwave frequencies. IEEE T. Antenn. Propag. 25: 104-111. http://dx.doi.org/10.1109/TAP.1977.1141539

Lagerloef G.S.E. 2001. Satellite Measurements of Salinity. In: Steele J., Thorpe S., Turekian K. (eds.) Encyclopedia of Ocean Sciences. Academic Press, pp. 2511-2516. http://dx.doi.org/10.1006/rwos.2001.0345

Lagerloef G.S.E., Colomb F.R., Le Vine D.M., Wentz F., Yueh S.H., Ruf C., Lilly J., Gunn J., Chao Y., deCharon A., Feldman G., Swift C.T. 2008. The Aquarius/SAC-D mission designed to meet the salinity remote sensing challenge. Oceanography 21: 68-81. http://dx.doi.org/10.5670/oceanog.2008.68

Lagerloef G.S.E., Boutin, J. Chao Y., Delcroix T., Font J., Niiler N., Reul N., Riser S., Schmitt R., Stammer D., Wentz F. 2010. Resolving the global surface salinity field and variations by integrating satellite and in situ observations. In: Hall J., Harrison D.E., Stammer D. (eds.), Proceedings of OceanObs'09: Sustained Ocean Observations and Information for Society (Vol. 2), ESA Publication WPP-306 II-1-51

Lagerloef G.S.E., Font J. 2010. SMOS and Aquarius/SAC-D missions: The era of spaceborne salinity measurements is about to begin. In: Barale V., Gower J.F.R., Alberotanza L. (eds.), Oceanography from Space. Springer Science+Business Media B.V., pp. 35-58.

Lahtinen J., Gasiewski A.J., Klein M., Corbella I. 2003. A calibration method for fully polarimetric microwave radiometers. IEEE T. Geosci. Remote 41: 588-602. http://dx.doi.org/10.1109/TGRS.2003.810203

LeVine D.M., Good J.C. 1983. Aperture synthesis for microwave radiometers in space. NASA Technical memorandum 85033.

Martín-Neira M., Goutoule J.M. 1997. A two-dimensional aperture-synthesis radiometer for soil moisture and ocean salinity observations. ESA Bull-Eur Space 92: 95-104.

Martín-Neira M., Ribó S., Martín-Polegre A.J. 2002. Polarimetric mode of MIRAS. IEEE T. Geosci. Remote 40: 1755-1768. http://dx.doi.org/10.1109/TGRS.2002.802489

McMullan K., Brown M., Martín-Neira M., Rits W., Ekholm S., Marti J., Lemanzyk J. 2008. SMOS: The payload. IEEE T. Geosci. Remote 46: 594-605. http://dx.doi.org/10.1109/TGRS.2007.914809

Reul N., Tenerelli J., Chapron B. Fournier S., Paul F. 2011. First Sea Surface Salinity products from SMOS Generated at the Centre Aval de Traitement des Données SMOS. Presented at SMOS Science Workshop, 27-29 September 2011, Arles, France. PMCid:3158237

Robinson A.R. (ed.) 1983. Eddies in Marine Science, Springer-Verlag, 609 pp. http://dx.doi.org/10.1007/978-3-642-69003-7

Ruf C.S., Swift C.T., Tanner A.B., Le Vine D.M. 1988. Interferometric synthetic aperture microwave radiometry for the remote sensing of the Earth. IEEE T. Geosci. Remote 26: 597-611. http://dx.doi.org/10.1109/36.7685

Salvador J., Fernández P., Julià A., Font J., Pelegrí J.L. 2010. A new buoy for measurement and real time transmission of surface salinity. Rapp. Comm. Int. Mer Medit.39: 176.

Silvestrin P., Berger M., Kerr Y.H., Font J. 2001. ESA's second Earth Explorer Opportunity Mission: The Soil Moisture and Ocean Salinity mission - SMOS. IEEE Geosc. Rem. Sens. Newsl. 118: 11-14.

Smith N., Lefèbvre M. 1997. The Global Ocean Data Assimilation Experiment (GODAE). Presented at International Symposium Monitoring the Oceans in the 2000s: An Integrated Approach, 15-17 October 1997, Biarritz, France.

Srokosz M.A. 1995. Ocean surface salinity - the why, what and whether. In: Guyenne T.D. (ed.) Proc. Consultative Meeting on Soil Moisture and Ocean Salinity Measurement Requirements and Radiometer Techniques (SMOS), ESA Publication WPP-87, pp. 49-56.

Swift C.T., McIntosh R.E. 1983. Considerations for microwave remote sensing of ocean surface salinity. IEEE T. Geosci. Remote 21: 480-491. http://dx.doi.org/10.1109/TGRS.1983.350511

Turiel A., Nieves V., García-Ladona E., Font J., Rio M.H., Larnicol G. 2009. The multifractal structure of satellite sea surface temperature maps can be used to obtain global maps of streamlines. Ocean Sci. 5: 447-460. http://dx.doi.org/10.5194/os-5-447-2009

Yueh S.H., West R., Wilson W.J., Li F.K., Njoku E.G., Rahmat-Samii Y. 2001. Error sources and feasibility for microwave remote sensing of ocean surface salinity. IEEE T. Geosci. Remote 39: 1049-1060. http://dx.doi.org/10.1109/36.921423

Zine S., Boutin J., Font J., Reul N., Waldteufel P., Gabarró C., Tenerelli J., Petitcolin F., Vergely J.L., Talone M., Delwart S. 2008. Overview of the SMOS sea surface salinity prototype processor. IEEE T. Geosci. Remote 46: 621-645. http://dx.doi.org/10.1109/TGRS.2008.915543




Copyright (c) 2012 Consejo Superior de Investigaciones Científicas (CSIC)

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.


Contact us scimar@icm.csic.es

Technical support soporte.tecnico.revistas@csic.es