5. Морские научные исследования в рейсе НИС «Малахит» № 100 «э» и НИС «Импульс» №49, № 50 (руководитель С.П. Захарков) 5.1. Введение Экспедиции проведены в рамках выполнения тем научно-исследовательских работ ТОИ ДВО РАН «Изучения внутреннего волнения в прибрежной зоне Японского моря» и «Исследование ключевых физических процессов, определяющих изменчивость океанологических полей как основы изменений климата, биопродуктивности и состояния экосистем в северо-западной части Тихого океана и дальневосточных морях.» и грантов РФФФИ и РФФИ - ДВО РАН. 5.2. Цели экспедиции Определение влияния внутренних волн на распределение температуры первичной продукции фитопланктона. и величину 5.3. Задачи экспедиции 1. Экспериментальные исследования распределения фитопланктона в Заливе Петра Великого и в том числе в синоптических вихрях существующих в данной акватории. 2. Проведение, измерений температурного поля, вариации которого вызваны, главным образом, нелинейным внутренним волнением различного частотного диапазона. 3. Калибровка данных профилографов по флуоресценции хлорофилла. 5.4. Методы измерений и обработки данных Отбор проб воды для анализа на содержание пигментов: хлорофилла -а, в, с, каротиноидов и феофетина а производился с НИС вместе с пробами на определение количественных и качественных характеристик фитопланктона с помощью батометров Нискина объёмом 5 литров. Отобранные пробы объёмом 1-1,5 л около 2-3 часов фильтровались через мембранные фильтры “Whatman” или “Vladipor” диаметром 35 мм c размером пор 0,6 мкм. Фильтрация осуществлялась под давлением, не превышающим давление 1,5 м водяного столба. Образцы фильтров замораживались и хранились при температуре -18º С в лаборатории на берегу, где впоследствии их экстрагировали и подготовленный экстракт анализировали спектрофотометрически для определения следующих параметров: хлорофилла- а, хлорофилла-b, хлорофилла-с1+с2 и феофитина-а. Стандартный спектрофотометрический метод основан на анализе спектров поглощения экстракта хлорофилла-а в 90% ацетоне (Кобленц-Мишке 1983; SCOR-Unesco. 1966). Точность этого метода зависит от абсолютной величины концентрации хлорофилла-а (Ведерников и др 1973). Необходимо отметить, что концентрация хлорофилла-а, определяемая этим методом, фактически характеризует суммарную концентрацию хлорофилла-а и феофитина-а. Концентрация хлорофилла-a определялась по оптическим плотностям экстракта хлорофилла, измеренным на трёх длинах волн на спектрофотометре по формуле Джеффри – Хамфри (Современные методы… 1983) и приведённой в ГОСТе (ГОСТ, 1991): схл.а (11.85D664 1.54 D647 0.08D630 ) * Vэкстр Vф , (2.1) Концентрации хлорофилла - в и хлорофилла - с рассчитывались по формулам: схл.в (5,43D664 21.03D647 2,66 D630 ) * Vэкстр схлс1 с 2 (1,67 D664 7,6 D647 24,52 D630 ) * Vф , Vэкстр Vф , где схл.а - концентрация хлорофилла -a; схл в – концентрация хлорофилла - в, с с1+с2 – концентрация хлорофилла – с, D664, D647, D630- оптическая плотность экстракта в белах на длинах волн 664 нм, 647 нм, 630 нм; Vэкстр – объём экстракта, находящегося в измерительной кювете; Vф – объём профильтрованной воды в пробе. Заметим, что в приведённом выше методе оценки концентрации хлорофилла-а эта величина определяется через регистрацию оптической плотности экстракта, приготовленного из пробы, а не через флуоресценцию нативных (живых) клеток. Ориентировочный расчет относительного содержания феофитина-а ведется по формуле Ведерникова В.И. и соавт. (Ведерников и др 1973). сФ (1,7 D665k D665 )100 ,% , 0.7 D665k где Сф % - содержание феофитина-а в процентах от суммы хлорофилла-а и феофитина-а; D665, D665k- оптическая плотность на волне 665нм до и после подкисления экстрактов. Определение ПП проводилось с использованием радиоуглеродной модификации скляночного метода, в котором для расчета интегральной продукции скорость фотосинтеза измеряется на 4-х горизонтах, соответствующих 100 (поверхность), 46, 10, 1% подповерхностной освещенности. За нижнюю границу эвфотической зоны принимается глубина, до которой достигает 1% проникающей в воду радиации. Глубины отбора проб, соответствующие указанным «световым» горизонтам, рассчитываются с использованием закона ослабления света в столбе воды БугераЛамберта-Бера и данных по глубине видимости диска Секки. Так освещенность 1% проникающей в воду радиации наблюдалась на горизонте, равном трём глубинам видимости диска Секки (Pilgrim 1987). Соответственно горизонты 46, 10% подповерхностной освещенности находились на глубинах, равных 0,5 и 1,5 глубинам видимости диска Секки. Пробы воды в склянках (по 2 светлых и 1 темной на каждый горизонт) помещали в палубные инкубаторы, в которых с помощью нейтральных светофильтров имитировались световые условия на горизонтах отбора проб. Температура воды в инкубаторе поддерживалась с точностью +/- 1° С. . Время экспозиции склянок в аквариуме составляло около двух часов. Пробы отобранные после 16 часов сразу не разливались по склянкам, а выдерживались в 2 литровых бутылях на палубе до утра следующего дня. В 9 часов утра их разливали в склянки для экспозиции. Для вычисления суточных величин первичной продукции (Pсут)использовали методику предложенную Ю.И.Сорокиным (Сорокин1997). Начиная с 1960-х годов, такая схема считается наиболее перспективной для исследования первичной продукции фитопланктона, особенно при работе в морях и открытой части океана. После экспонирования пробы планктона фильтровались через мембранные фильтры «ФМАЦ- 0,45». После фильтрования фильтр хранится для дальнейшей обработки в камеральных условиях. Радиоактивность планктона, сконцентрированного после экспозиции на мембранные фильтры, измеряется по стандартной методике на жидкостно-сцинтилляционном радиометре . Первичная продукция под единицей площади (1 м2) за сутки рассчитывается суммированием ее величин для слоев воды, заключенных между глубинами экспонирования проб. В объеме каждого слоя величина продукции определяется по средней интенсивности фотосинтеза, вычисленной на основании результатов измерений на граничных горизонтах Зондом CTD Sea-Bird SBE19plus. проводились вертикальные зондирования, во время которых проводились измерения температуры, гидростатического давления и электропроводности морской воды. Ошибки измерений зондом не превышали 0.005°С по температуре и 0.0005 Сименс/метр по электропроводности. 5.5. Используемые технические средства и их краткая характеристика Профилографы SBE-19plus и RBR с частотой измерений 4 Гц и возможностью погружения в морскую воду до глубины 350 метров. Профилографы включают: датчики температуры морской воды, диапазон измерений -5оС +35оС, точность 0.005оС; -датчики удельной электропроводности морской воды, диапазон измерений 0-9 См/м, точность 0.0005 См/м; - тензометрические датчики давления морской воды, диапазон измерений 0-600 метров, точность 0.6 метра, разрешение 0.012 метра; -флуоресцентный датчик концентрации хлорофилла-а с чувствительностью от 0.03 мкг/л, диапазон измерений 0.03 – 75 мкг/л (про-во WetLabs). А также ряд датчиков не используемых в нашем исследовании. Установка для измерения ЗФ, фильтровальная установка, батометры 5.6. Объемы выполненных работ Выполнено: - постановка( 2) и снятие (2) автоматических буйковых станций (АБС) с програмируемыми датчиками со временем зкспозиции около 30 суток, две суточные станции около МЭС «Шульц» в районе постановки АБС; - 70 станций глубинного зондирования с помощью CTD зонда (температура и соленость морской воды, и флуоресценция растворенного органического вещества и хлорофилла-а в морской воде, излучение доступное для фотосинтеза); - 36 станций с испольованием погружного спектрофлуориметра. В 18 пробах определялась первичная продукция и в 46 концентрация пигментов фитопланктона. 5.7. Предварительные научные результаты Для продолжения исследований динамики внутренних волн в прибрежной зоне Японского моря осенью 2011 г. с помощью двух притопленных автономных буйковых станций (ПБС), разнесённых на расстояние ~ 6.0 км, было организовано наблюдение за полем ВГВ. С использованием ПБС_2, 3 на горизонтах: z=-34, -28, -18 метров с частотой опроса 1 мин-1 термографами, разработанными компанией Onset, проводились измерения температуры с точностью 0.2 0C и разрешающей способностью 0.02 0C . Рис. 1. Карта – схема района проведения эксперимента 2011 года. Цифрами (1, 2, 3, 4) обозначены места постановки береговой оптической системы, притопленных буйковых и суточной станций, соответственно. Отрезками прямых отмечено положение фронтов яркости - (а). Панорамное изображение прибрежной зоны полуострова Гамова с поверхностным проявлением внутренних волн (ППВВ), спроецированное на горизонтальную поверхность - (б) Во время сентябрьского эксперимента в точке с координатами (420 35.04’ N, 1310 07’ E) была выполнена суточная станция (ц.4 на рис.1а), на которой с 8 час 23 мин зондом CTD Sea-Bird SBE19plus. с дискретностью 1 час было выполнено 25 вертикальных зондирований, во время которых проводились измерения температуры, гидростатического давления и электропроводности морской воды. Ошибки измерений зондом не превышали 0.005°С по температуре и 0.0005 Сименс/метр по электропроводности. Для исследования поверхностных проявлений внутренних волн (ППВВ) в прибрежной зоне Японского моря использовалась береговая панорамная видеосистема контроля состояния морской поверхности (ВКМП), установленная на полуострове Гамова на высоте 92 м над уровнем моря в точке с координатами (420 34.9’N; 1310 9.34’E). ВКМП включает панорамную поляризационную камеру – регистрирующий элемент, которой состоит из собственно видеокамеры в безкорпусном исполнении, размещённом в промышленном термокожухе К15/5-70-12 ОЛЕВС. Кожух с камерой жестко закреплен на оси шагового двигателя, установленного на треугольной панели. Угол поворота камеры при формировании отдельных кадров и количество кадров, определяющее угловые размеры панорамы, задавался программой управления камерой. Поскольку в каждый момент захвата изображения известна ориентация видеосистемы относительно географической системы координат и высота расположения камеры, то не представляет труда рассчитать матрицу перехода из одной системы в другую и спроицирровать изображение на горизонтальную плоскость, осуществив его привязку к географической системе координат. На рис. 1б показано панорамное изображение района эксперимента, спроецированное на горизонтальную поверхность с привязкой к географической системе координат. Применение методов цифровой обработки изображений, к упорядоченной по времени системе изображений с привязкой к географической системе координат, позволяет оценить пространственные размеры и скорость перемещения изучаемых объектов. Для анализа оптических изображений поверхностных проявлений ВГВ, полученных береговой ВКМП использовались результаты панорамной видеосъёмки (сектор обзора 265 градусов период регистрации панорамных изображений -17 сек. угловое разрешение камеры 1.75 градусов на пиксель). В работе использованы изображения, полученные в 10:31; 10: 44; 10:57; и 11: 11 21.09.2011 г., обозначенные буквами: а), б), в), г), представляющие снимки последовательных панорамных изображений с разрешением 1пик : 5м фрагментов морской поверхности с размерами: 4км х 1.9км в районе полуострова Гамова. Рис. 2. Фрагменты четырёх изображений морской поверхности, полученных 21 сентября 2011 года с интервалом ~ 13 м На первом снимке 2а хорошо различима чёрно-белая фронтальная полоса с повышенным уровнем яркости на общем фоне. Стрелками отмечен поперечный пространственным масштабом (½)L ~ 140 м и резкой квазилинейной границей раздела яркости, выделенной нами тёмной линией, обозначенной Ф1. На последующих снимках указанная полоса смещается на северо-запад, сохраняя свою форму. При этом различные участки фронта Ф 1 распространяются с постоянной скоростью под углом ~ 260 к меридиану =1310 11’. За время наблюдения полоса сместилась как целое на расстояние ~ 1170 м по нормали к фронту так, что скорость его распространения составила величину Vф ~ 0,486 (м/c). На последнем снимке 2г в тыловой части фронта Ф1 на расстоянии R ~ 1050 м сформировалась ещё одна область с резкими границами раздела освещённости Ф 2 и Ф3, разделёными расстоянием r ~ 250 м. Рассмотрим особенности гидрологического процесса, в районе ПБ_2 во время прохождения фронта яркости. С этой целью воспользуемся данными, полученными с этой притопленной буйковой станции. Учитывая, что скорость распространения фронта яркости Vф ~ 0,49(м/с) и его положение в момент времени t = 10 час 30 мин, зафиксированное на фото изображении, нетрудно определить момент прохождения фронта через ПБ_2. Этот момент пришёлся на ~ 9 час 30 мин. Рис. 3. Реализация температуры (кр.1), зафиксированная ПБ_2 на горизонте z = - 28м с началом 01час 00мин местного времени и её низкочастотная составляющая (кр.2) - (а). Фрагмент исходной реализации с началом в 7 час 00 мин - (б). Высокочастотный участок спектра вариаций температуры фрагмента с началом в 7 час 00 мин - (в) Обратимся к рис. 3б, на котором представлена изменчивость температуры в районе ПБ_2. Как следует из рисунка в момент прохождения ППВВ на горизонте z=- 28м было зафиксировано значительное возмущение температуры с длительностью ~ 10 мин. Возмущение с таким масштабом, в соответствие с дисперсионной зависимостью (рис. 4в) будет распространяться со скоростью ~ 0,46(м/с), что отличает это значение от значения скорости распространения фронта яркости Vф ~ 0,49(м/с) на 6%. Одной из причин 6% различия между указанными скоростями может быть конечность амплитуды наблюдаемых ВГВ. При этом масштаб такого возмущения будет равен L ~ 300м, что незначительно отличает его от поперечного масштаба фронта Lф ~ 280м. Как известно скорость распространения ВГВ конечной амплитуды превыщает скорость распространения линейной волны на величину ~ A/H, что составляет ~ 2/40 = 5%... Через 38 минут на ПБ_2 вновь было зафиксировано два возмущения значительной амплитуды и, примерно, равной длительности ~ 4 мин, разделённых по времени интервалом ~ 6 мин. Двигаясь со скоростью Vф ~ 0,49(м/с) эти возмущения будут располагаться на фото изображении разделёнными друг от друга расстоянием r ~ 180 м. При этом новое фронтальное образование будет отстоять от прошедшего через ПБ_2 ранее, на такое же расстояние. Подобную картину мы действительно наблюдаем на видио изображении, представленного на рис. 2в, г. Таким образом, причина вариаций температуры на ПБ_2 и в том числе на глубине z=28м, а также вариаций яркости морской поверхности в точке её постановки имеет сходную природу. Эти вариации вызваны полем ВГВ в прибрежной зоне полуострова Гамова. Вместе с тем, как показывает проведённый анализ, на морской поверхности проявляются ВГВ лишь достаточно узкополосного высокочастотного диапазона, амплитуды которых превышают некоторый энергетический порог. 5.8. Выводы Поставленные задачи экспедиции в целом выполнены. Получены новые данные о динамике внутренних волн в прибрежной зоне Японского моря . При сравнении данных концентрации пигментов полученных стандартным экстракционным методом с флуоресцентными данными на части суточных станциях обнаружена изменчивость этих параметров в течении суток.