Исследования оптических характеристик океана

1. П.А. Салюк, к.ф.-м.н. – Исследования оптических характеристик океана и
атмосферы
Работы проводились береговым отрядом лаб. лазерной оптики и спектроскопии в период с
1 мая по 31 ноября 2009 г. на МЭС «о. Попова» и МЭС «Мыс Шульца».
1.1. Основание для организации экспедиции (проекты, программы, договора,
соглашения, гранты и т.д.)
План-программа экспедиции на 2009 г., утвержденная 4 мая 2009 г.
Тема плана НИР ТОИ ДВО РАН. Развитие и применение спутниковых методов для
исследования взаимодействия радиационно-активных компонентов атмосферы и
фитопланктонных сообществ (Раздел 4 темы 3 «Развитие и применение спутниковых
радиофизических методов для исследования мезомасштабных и синоптических
гидрометеорологических явлений и процессов в северо-западной части Тихого океана и в
дальневосточных морях», индексы научного цитирования 7.8; 7.13).
Тема плана НИР ТОИ ДВО РАН. Исследование оптических свойств морской воды в
зависимости от содержания в ней органических и неорганических веществ (Раздел 8 темы
6 «Динамика и биопродуктивность экосистем дальневосточных морей России в условиях
современной хозяйственной деятельности и глобального изменения климата»).
Проект РФФИ-ДВО № 09-05-98523-р_восток_а. Экспериментальное исследование
динамики микрофизических характеристик атмосферного аэрозоля Дальневосточного
региона в переходной зоне материк-океан.
Проект РФФИ-ДВО 08-05-99085-р_офи. Разработка гидроакустических методов
картирования и классификации морских водорослей в прибрежных акваториях.
1.2. Цели экспедиции
Изучение процессов и механизмов, формирующих оптические характеристики
верхнего слоя океана и нижних слоев атмосферы, развитие оптических методов
исследования океана и атмосферы
1.3. Задачи экспедиции
Исследование формирования оптических характеристик верхнего слоя океана и
нижних слоев атмосферы в заливе Петра Великого в водах различного типа и в разные
сезоны.
Экспериментальные исследования оптически активных компонентов морской воды
и атмосферы вдоль трассы г.Владивосток – МЭС Шульц и на полигонах в Амурском
заливе и в открытой части залива Петра Великого вблизи МЭС Шульц, в различные
сезоны при различных гидрометеоусловиях и на различных стадиях развития
фитопланктонных сообществ.
Проведение подспутниковых измерений и разработка региональных спутниковых
алгоритмов восстановления концентрации хлорофилла-а, растворенного органического
вещества и оптической толщины аэрозоля.
Проведение испытаний флуориметров с многоволновым возбуждением и с
техникой зондирования и накачки (pump and probe).
1.4. Методы измерений и обработки данных
Измерение восходящего излучения моря
Измерения отражательной способности моря производились с помощью
гиперспектрального спектофотометра с борта судна по методике, основывающейся на
протоколах НАСА. Последовательно измерялись спектры некалиброванной яркости
восходящего излучения от морской поверхности, спектры некалиброванной яркости
излучения неба, спектры некалиброванной яркости излучения, отраженной
горизонтальной пластинкой (максимально близкой к Ламбертовской поверхности) с
известной функцией распределения отраженного света по двум направлениям отражения.
Для дальнейших расчетов каждая серия спектров фильтровалась на явные выбросы, после
чего рассчитывался медианный спектр и спектральное распределение ошибки измерений.
Все расчеты были реализованы в среде MATLAB.
Измерение глубинных профилей гидрологических и биооптических параметров
морской воды
Измерения проведены с помощью зонда SeaBird SBE-19 plus с установленными
флуоресцентными датчиками концентрации хлорофилла-а и растворенного органического
вещества (РОВ) WetLabs, и датчиком освещенности, доступной для фотосинтеза Licor.
Первичная обработка данных осуществлена программой SBEDataProcessing-Win32 с
последовательностью операций и параметрами, рекомендованными фирмойпроизводителем зонда. Временная задержка флуоресцентных датчиков подбиралась таким
образом, чтобы глубинный профиль при движении зонда вниз и вверх имели наибольшую
корреляцию. Дальнейшая обработка данных осуществлялась в программной среде
MATLAB. Была проведена географическая привязка измерений. Выделены участки на
профилях, соответствующие опусканию зонда, подниманию зонда и паузе перед
погружением.
Непрерывные измерения гидрологических и биооптических параметров морской воды
Непрерывные измерения гидрологических и биооптических параметров морской воды
осуществлялись с помощью системы прокачки морской воды с глубины 1 метр.
Температура и соленость морской воды получены с помощью термосолинографа SeaBird
SBE-45. Обработка данных проведена SBEDataProcessing-Win32 и MATLAB. Спектры
флуоресценции морской воды измерялись лазерным флуориметром с возбуждающим
излучением на длине волны 532 нм. Обработка спектров и оценка интенсивности
флуоресценции хлорофилла-а и РОВ осуществлена в MATLAB.
1.5. Используемые технические средства и их краткая характеристика
1. Ручной гиперспектральный спектрофотометр (пр-во ASD) со световодом,
позволяющим проводить измерения под водой. Спектральный диапазон 325 – 1075 нм с
разрешением 1 нм. В комплект входят надводные объективы для измерения яркости с
углами обзора 10o и 2o , подводный объектив для измерения яркости с углом обзора 5 и
подводный объектив для измерения освещенности.
2. Прокачиваемый лазерный гиперспектральный флуориметр, разработанный ТОИ и
ИАПУ ДВО РАН. Длина волны возбуждающего излучения 532 нм, спектральный
диапазон 540 – 750 нм, спектральное разрешение 0.1 нм, время накопления сигнала от 10
секунд, частота возбуждающих импульсов 2 Гц, чувствительность от 0.1 мкг/л.
3. Лабораторный спектрофлуориметр с многоволновым возбуждением Varian Cary
Eclipse. Рабочий спектральный диапазон возбуждающего излучения при измерении
флуоресценции морской воды 240-650 нм, испускаемое излучение 250 – 750 нм.
Используемый шаг сканирующего монохроматора 5 нм, время накопления при
фиксированной длине волны возбуждения и испускания 0.1 с. Общее время измерения
одного трехмерного спектра флуоресценции морской воды около 30 минут.
4. Профилограф SBE-19plus (пр-во SeaBird) с частотой измерений 4 Гц и
возможностью погружения в морскую воду до глубины 350 метров. Профилограф
включает:
- прокачиваемый датчик температуры морской воды, диапазон измерений -5оС +35оС,
точность 0.005оС;
- прокачиваемый датчик удельной электропроводности морской воды, диапазон
измерений 0-9 См/м, точность 0.0005 См/м;
- тензометрический датчик давления морской воды, диапазон измерений 0-600 метров,
точность 0.6 метра, разрешение 0.012 метра;
- прокачиваемый
флуоресцентный
датчик
концентрации
хлорофилла-а
с
чувствительностью от 0.03 мкг/л, диапазон измерений 0.03 – 75 мкг/л (про-во WetLabs).
- прокачиваемый флуоресцентный датчик концентрации растворенного органического
вещества с чувствительностью от 10-7 г/кг, диапазон измерений 0-10-3 г/кг, длина волны
возбуждения флуоресценции 370 нм, длина волны регистрации флуоресценции 460 нм
(пр-во WetLabs);
- сферический датчик суммарной освещенности, доступной для фотосинтеза, LI-193,
чувствительность 7 мкА на каждые 1000 мкмоль/c/м2, точность абсолютной калибровки
5% (пр-во Licor);
- насос 5P.
5. Прокачиваемый термосолинограф SBE-45, диапазон измерений температуры
морской воды -5оС +35оС с точностью 0.002оС, диапазон измерений удельной
электропроводности 0-7 См/м с точностью 0.0003 См/м.
6. Надводный датчик нисходящей освещенности, доступной для фотосинтеза, LI-190,
чувствительность 5 мкА на каждые 1000 мкмоль/c/м2, точность абсолютной калибровки
5% (пр-во Licor).
1.6. Объемы выполненных работ
Проведены испытания гиперспектрального спектрофотометра ASD и отработана
методика измерения восходящего излучения моря и спектров солнечного излучения.
Всего проведено более 50 серий экспериментов. В каждой из серий получено от 100 до
200 спектров излучения, восходящего от моря, от неба, от белого диска. Испытана
методика измерения восходящего и нисходящего излучения под водой.
Выполнено четыре суточные станции глубинного профилирования гидрологических и
гидрооптических параметров морской воды. Всего получено 80 профилей температуры и
солености морской воды, концентрации хлорофилла-а и растворенного органического
вещества в морской воде, освещенности, доступной для фотосинтеза. На трех суточных
станциях одновременно с погружением CTD зонда получены непрерывные записи на
глубине около 1 метра спектров флуоресценции, температуры и солености морской воды,
а также непрерывные записи освещенности, доступной для фотосинтеза над морской
поверхностью.
1.7. Предварительные научные результаты работ
Получена временная динамика глубинного распределения биооптических параметров
морской воды в течение суток. В полученных данных наблюдаются колебания, связанные
с внутренними волнами. Замечено повышение флуоресценции хлорофилла-а при дневных
измерениях. Обнаружено два слоя растворенных органических веществ на горизонте
максимальной биологической активности и около дна. Местоположение проведенных
суточных станций показано на рис. 1.
Рисунок 1 – Местоположение суточных станций глубинного профилирования
гидрологических и биооптических параметров морской воды. (а) Работы около МЭС «о.
Попова», (б) Работы около МЭС «м. Шульца»
На рис. 2 в качестве примера показаны результаты работы на станции С1. В
процессе наблюдений можно выделить три класса вод: I – распреснение за счет выноса
речных вод; II – воды с растворенными органическими веществами (РОВ), не
связанными с функционированием фитопланктонных сообществ; III – воды, где
наличие РОВ определяется жизнедеятельностью клеток фитопланктона (слой вод в
диапазоне глубин 10-22м). РОВ во втором классе вод, по всей видимости, получено за
счет отмирания клеток фитопланктона.
Рисунок 2. Результаты глубинного профилирования гидрологических и биооптических
параметров морской воды на суточной станции 1 с 31 августа по 1 сентября 2009 года
Выводы
Поставленные задачи экспедиции в целом выполнены. Освоены и отработаны новые
методики измерений, получен новый массив гидрологических и биооптических данных,
что в совокупности с архивными данными позволит исследовать процессы
воспроизводства
растворенного
органического
вещества
фитопланктонными
сообществами, разрабатывать методики оперативного определения источников
поступления органических веществ в морскую воду, разрабатывать спутниковые
региональные алгоритмы восстановления концентрации хлорофилла-а и растворенного
органического вещества, разрабатывать модели вертикального распределения
концентрации хлорофилла-а.