Аномальные оптические характеристики вод Черного моря в июле 2012 года и их связь с концентрацией минеральной взвеси в воде

Краткие сообщения

УДК 551.463

Е.Н. Корчемкина, М.Е. Ли

Аномальные оптические характеристики вод Черного моря в июле 2012 года и их связь с концентрацией минеральной взвеси в воде

Рассматриваются результаты натурных измерений коэффициента яркости моря в июле 2012 г. Определены биооптические характеристики морской воды во время цветения кокколи-тофорид. С использованием разработанного ранее аналитического алгоритма рассчитаны концентрации пигментов фитопланктона и минеральной взвеси. Полученное содержание взвеси составляет в среднем 1,2 • 1011 м-3. Сделан вывод, что наблюдавшееся цветение являлось одним из самых массовых за последние годы.

Ключевые слова: кокколитофориды, коэффициент яркости, хлорофилл, аналитический алгоритм.

В рамках работ по проекту «Фундаментальная океанология» и по проекту NATO ESP.EAP.SFPP 982678 "Bio-Optical Characterization of the Black Sea for Remote Sensing Applications " от 12 декабря 2008 г. отделом оптики МГИ НАН Украины с 9 по 19 июля 2012 г. были выполнены экспедиционные работы на океанографической платформе (Экспериментальное отделение МГИ, пос. Кацивели) по изучению оптических характеристик морской воды и атмосферы. Основной целью этих работ являлся сбор натурных данных об оптических характеристиках вод Черного моря и атмосферы над ним, а также совершенствование методов измерений и интерпретации оптических и микрофизических параметров гидро- и аэрозолей. Задачей эксперимента было наблюдение сильнейшего за последние годы цветения кокколитофорид и исследование его влияния на оптические параметры морской воды, валидация стандартных и региональных алгоритмов обработки спутниковых измерений сканерами MERIS и MODIS в условиях цветения кокколитофорид.

Кокколитофориды Emiliania huxleyi представляют собой одноклеточные водоросли с размером клеток 5 - 8 мкм, на поверхности каждой клетки находятся известковые диски (кокколиты) размером 1 - 2 мкм [1]. В Черном море Emiliania huxleyi составляют 90 - 99% от общей численности кокколитофорид [2]. В процессе жизнедеятельности клетка несколько раз сбрасывает кокколиты, что приводит к многократному возрастанию количества крупной минеральной взвеси в воде и, как следствие, - к увеличению рассеяния света без существенного увеличения поглощения. Слабая спектральная селективность рассеяния на крупных частицах приводит к тому, что вода приобретает характерный белесый оттенок, по которому цветение © Е.Н. Корчемкина, М.Е. Ли, 2014

ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 2

67

кокколитофорид можно обнаружить визуально. Рост же рассеяния назад приводит к увеличению восходящей яркости моря и коэффициента яркости, который измерялся в данном эксперименте. Возрастание восходящей яркости в июне 2012 г. оказалось настолько сильным, что автоматические программы обработки спутниковых данных распознавали район цветения как облачность, что показало необходимость проведения контактных измерений яркости моря. Стоит отметить, что, хотя биологические и биохимические исследования черноморских кокколитофорид проводятся в большом количестве, существующей информации об оптических свойствах взвеси кокколитов в воде недостаточно и она имеет скорее качественный характер [1, 3, 4].

Для проведения измерений коэффициента яркости применялся сконструированный в отделе оптики моря спектрофотометр [5] со спектральным диапазоном 390 - 720 нм, шаг измерений 5 нм. Предварительный анализ полученных распределений спектрального коэффициента яркости показал, что спектры имеют форму, характерную для вод Черного моря, с явно выраженным максимумом на длине волны ~ 490 нм. Значения в максимуме завышены в 3 - 4 раза по сравнению с характерными для данного сезона и составляют 3,13 - 6,60%, что объясняется влиянием цветения кокколитофорид. Спектр с максимальными значениями в максимуме ртах = 6,60% на длине волны Я =

= 495 нм зафиксирован 9 июля, а с минимальными значениями р^ = 3,13% на длине волны 486 нм - 15 июля. На рис. 1 приведены результаты количественного анализа изменчивости спектрального коэффициента яркости.

400 500 600 700 Х? нм

Р и с. 1. Изменчивость спектрального коэффициента яркости по данным всех измерений 68 ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 2

Значения коэффициента яркости снижались в течение эксперимента, как показано на рис. 2, что объясняется осаждением кокколитов. Однако сильное нагонное течение с юга, наблюдавшееся 16 июля, привело к скачкообразному возрастанию коэффициента яркости в течение 20 мин, что можно объяснить повышенным содержанием взвеси в нагонной воде.

7

6.5 6 5.5

о4

£ 5 С 4.5 4 3.5 3

10

11

12

13 Июль

14

15

16

17

Р и с. 2. Временной ход максимальных значений коэффициента яркости

Данные по коэффициенту яркости были обработаны с использованием полуаналитического алгоритма, подробно изложенного в [6]. Спектр коэффициента яркости, согласно [6], описывается формулой

р(Х) = к

К„ X) + ЪЬр (л0){л0/ X)) ^ (X) + СсЫа:ы (X) + смте

где к = 0,15 ; ЬЬ- (X) - показатель обратного рассеяния чистой воды; а№ (X) -показатель поглощения чистой воды; а*сЫ (X) - спектр удельного поглощения пигментов фитопланктона. Параметры модели: ЬЬр (Л0) - показатель обратного рассеяния частиц взвеси на длине волны X)) = 400 нм, концентрация пигментов фитопланктона СсЫ и поглощение неживой органикой - рассчитываются

методом оптимизации, каждый в своем спектральном участке. Используются участки спектра 390 - 410 нм для поглощения неживой органикой, 420 - 460 нм - для концентрации хлорофилла и 460 - 650 нм - для рассеяния взвесью. При обработке данных 2012 г. предполагалось, что спектральный ход рассеяния должен соответствовать крупной взвеси (размером более 1 мкм), поэтому, согласно [7], выбрано значение параметра V = 0,8 .

Поскольку в модели не проводится разделение взвеси на крупную и мелкую фракции, ЬЬр (Л0) будет определять рассеяние всеми взвешенными минеральными

частицами независимо от размера, то есть кокколитами, клетками кокколитофо-рид, минеральной взвесью иного происхождения. Однако при наблюдающейся

ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 2

69

ситуации цветения численность кокколитов на порядок выше численности инои минеральной взвеси и на два порядка - численности клеток кокколитофорид [3].

Наибольший интерес представляли концентрация хлорофилла и обратное рассеяние взвесью. На рис. 3 приведен временной ход расчетных значений Cchl в сравнении со спутниковыми данными по концентрации хлорофилла (осреднен-ными по нескольким пикселям, район океанографической платформы). Видно, что цветение кокколитофорид не приводит к существенному росту поглощения пигментами фитопланктона, так как частицы хлорофилла в клетках, покрытых непрозрачной оболочкой, не оказывают влияния на оптические характеристики морской воды.

0.7

g 0.6 СЗ

= 0.5

а 0-4

с

К 0-3

X

I 0.1

♦

Î ♦ ♦ ♦

\ » # ♦ 1 f # V ¿A ♦

♦ ♦ F ♦ ♦ W **

♦

10

12 13 14 Июль

♦ Контактные данные

Спутниковые данные

Р и с. 3. Временная изменчивость концентрации пигментов фитопланктона

Оценить масштабы цветения и численность кокколитофорид можно по результатам расчета обратного рассеяния взвесью. Для того чтобы воспользоваться эмпирическим соотношением

bb сосс (546) = 1,1 -10-13 Ncocc,

связывающим обратное рассеяние взвесью (кокколитами) bb_cocc(546) на длине волны 546 нм и численную концентрацию кокколитов Ncocc (м-3) [7], полученное по результатам модельных расчетов обратное рассеяние bbp (400) было пересчитано для длины волны 546 нм с учетом спектрального хода:

bb сосс(546) = bbp(400)(400/546)0,8.

Одновременно делалась оценка концентрации кокколитов по спутниковым данным, а именно по содержанию углерода в минеральной взвеси (particulate inorganic carbon, pic, моль(С)/м3), которое является одним из стандартных продуктов сканера MODIS. Данные pic были пересчитаны в концентрацию кокколитов с помощью соотношения

70 ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 2

pic -MC) = mC coccNcocc:

где /и(С) - молярная масса углерода; mC сосс = 2 -10 13 г - содержание углерода в кокколите по данным [3].

Временной ход величин Ncocc, полученных по таким оценкам, приведен

на рис. 4. В среднем значение концентрации составляло 1,2 -1011 м-3 с тенденцией к снижению. Это снижение четко коррелирует с уменьшением значений коэффициента яркости, о котором упоминалось выше. Полученные концентрации кокколитов, так же как и завышенные в 3 - 4 раза коэффициенты яркости, указывают на то, что наблюдавшееся цветение было одним из самых массовых за последние годы [2].

9 10 11 12 13 14 15 16 17

Июль

♦ Контактные данные  Спутниковые данные

Р и с. 4. Временная изменчивость концентрации минеральной взвеси

Выводы. В июне - июле 2012 г. в Черном море наблюдалось массовое цветение кокколитофорид Emiliania huxleyi. В период измерений (9 - 16 июля) отмечено значительное изменение биооптических параметров по сравнению с характерными для исследуемого сезона:

- значения коэффициента яркости достигали 3,2 - 6,6% в максимуме при характерных 1 - 1,5%;

- концентрация хлорофилла, рассчитанная аналитическим методом по спектрам коэффициента яркости, составляла ~ 0,5 мг/м3, что превышает средние значения для летнего периода [8]. Причина такого повышения заключается в массовом развитии других видов фитопланктона наряду с кокко-литофоридами;

- расчетная концентрация минеральной взвеси составляла ~ 1,2 -1011 м-3, что по порядку величин соответствует цветениям, зафиксированным в 1992 и 2006 гг. [2].

Полученные концентрации хорошо коррелируют со спутниковыми оценками тех же параметров.

ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2014, № 2 71

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Balch W.M., Kilpatrick A.K., Holligan P.M. et al. The 1991 coccolithophore bloom in the central North Atlantic. II. Relating optics to coccolith concentration // Limnol. Oceanogr. -1996. - 41. - P. 1684 - 1696.

2. Микаэлян А.С., Силкин В.А., Паутова Л.А. Развитие кокколитофорид в Черном море: межгодовые и многолетние изменения // Океанология. - 2011. - 51, № 1. - С. 45 - 53.

3. Balch W.M., Holligan P.M., Ackleson S.G. et al. Biological and optical properties of mesoscale coccolithophore blooms in the Gulf of Maine // Limnol. Oceanogr. - 1991. - 36. -P. 629 - 643.

4. Balch W.M., Kilpatrick A.K., Trees C.C. The 1991 coccolithophore bloom in the central North Atlantic. I. Optical properties and factors affecting their distribution // Ibid. - 1996. - 41. -P. 1669 - 1683.

5. Ли М.Е., Мартынов О.В. Измеритель коэффициента яркости для подспутниковых измерений биооптических параметров вод // Экологическая безопасность прибрежных и шельфовых зон и комплексное использование ресурсов шельфа. - Севастополь: МГИ НАН Украины, 2000. - C. 9 - 17.

6. Korchemkina E.N., Shybanov E.B., Lee M.E. Regional analytical algorithm of seawater constituents concentrations retrieving from sea reflectance // Proceedings of IV International Conference "Current problems in optics of natural waters". - Nizhny Novgorod: Institute of Applied Physics RAS, 2007. - P. 166 - 170.

7. Маньковский В.И., Владимиров В.Л., Афонин В.И. и др. Многолетняя изменчивость прозрачности воды в Черном море и факторы, обусловившие ее сильное снижение в конце 80-х - начале 90-х годов. - Севастополь, 1996. - 32 с. - (Препринт / НАН Украины. Морской гидрофизический институт).

8. http://blackseacolor.com.

Морской гидрофизический институт НАН Украины, Материал поступил

Севастополь в редакцию 08.10.12

E-mail: ekorchemkina@gmail.com После доработки 19.10.12

АНОТАЦ1Я Розглядаються результата натурних вимiрювань коефщента яскравост моря в липш 2012 р. Визначеш бюоптичш характеристики морсько! води тд час цвтння кокколгто-форид. З використанням розробленого рашше аналогичного алгоритму розраховано концент-рацп шгменпв фггопланктону i мшерально! суспензп. Отриманий вмгст суспензп становить в середньому 1,2 -1011 м-3. Зроблено висновок, що цвтння, яке спостерпилося, було одним з наймасовших за останш роки.

Ключовi слова: кокколгтофориди, коефщент яскравосл, хлорофш, аналгшчний алгоритм.

ABSTRACT Results of in situ measurements of sea reflectance in July, 2012 are considered. Bio-optical characteristics of seawater during coccolithophore bloom are defined. Concentrations of phy-toplankton pigments and mineral suspension are calculated using the previously developed analytical algorithm. The obtained particle concentration is 1.2-1011 m-3. It is concluded that the observed bloom is one of the most intense in recent years.

Keywords: coccolithophores, sea reflectance, chlorophyll, analytical algorithm.

72 ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн, 2014, № 2