Метод определения характеристик эвфотического слоя в Черном море по глубине видимости белого диска в зимне-весенний период

Анализ результатов наблюдений

и методы расчета гидрофизических полей океана

УДК 551.463.5

В.И. Маньковский, Е.В. Маньковская

Метод определения характеристик эвфотического слоя в Черном море по глубине видимости белого диска в зимне-весенний период

Для вод Черного моря в зимне-весенний период разработан метод расчета характеристик эвфотического слоя по глубине видимости белого диска. Для спектральной области 400 -700 нм получены формулы связи глубин энергетической и квантовой облученностей на уровнях 0,1 и 0,01 от поверхностной облученности с глубиной видимости белого диска. По формуле связи толщины эвфотического слоя для квантовой облученности с глубиной видимости белого диска построена карта распределения Яэвф.квант в Черном море в весенний период 1995 г.

Ключевые слова: облученность энергетическая, облученность квантовая, эвфотический слой, показатель вертикального ослабления света, глубина видимости белого диска.

Введение. Эвфотическим слоем называют поверхностный слой моря, в котором в результате поглощения фитопланктоном солнечной радиации происходит производство им первичной продукции. При этом важна не вся радиация, а только заключенная в спектральной области 350 - 700 нм, так как излучение с большими и меньшими длинами волн не влияет на процессы фотосинтеза. Эта часть солнечного излучения называется фотосинтетически активной радиацией (ФАР).

Толщину эвфотического слоя Нэвф оценивают по глубине, на которой облученность в области ФАР еще достаточна для производства первичной продукции. Считается, что это происходит на глубине, где (при высоком стоянии Солнца) уровень облученности составляет 0,01 от облученности моря на глубине Н = 0 м, т. е. непосредственно под его поверхностью. Величину Нэвф, как правило, рассчитывают по вертикальному распределению суммарной радиации в спектральной области 350 - 700 нм, однако в ряде случаев ограничиваются спектральным диапазоном 400 - 700 нм. Это объясняется тем, что в области 350 - 400 нм (ультрафиолет) показатели вертикального ослабления света велики и солнечная радиация в этой спектральной области быстро затухает в тонком поверхностном слое.

Для биологических целей важно знать толщину эвфотического слоя для суммарной квантовой облученности Нэвф.квант, так как биохимические реакции, протекающие в фотосинтезирующих водорослях, носят квантовый характер. Ее определяют, измеряя в море вертикальное распределение энергетической облученности в области ФАР, и, используя соответствующее соотношение между величинами энергетической и квантовой облученностей, рассчитывают квантовую облученность.

© В.И. Маньковский, Е.В. Маньковская, 2013

ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 6

15

Для измерения непосредственно квантовой облученности разработаны специальные фотометры - квантометры. Однако их применение связано с рядом технических трудностей. Кроме того, такой сложный и дорогостоящий прибор не всегда может иметься в наличии у исследователей. Вследствие этого представляют практический интерес более простые методы оценки толщины эвфотического слоя.

В монографии [1] для океанских вод разработан метод расчета вертикального распределения суммарной квантовой облученности в диапазоне 350 - 700 нм по измерениям энергетической облученности не во всей области ФАР, а на длине волны Л = 465 нм, на которой в океанских водах наблюдается минимум в спектральном распределении показателя вертикального ослабления дневного света. Аналогичный метод представлен в работе [2] для вод Черного моря, для которых предложено использовать измерения вертикального распределения энергетической облученности на длине волны 520 нм (для очень мутных вод на 535 нм).

В статье [3] исследовалась связь толщины эвфотического слоя Нэвф(400 -700 нм) для энергетической облученности в Черном море с глубиной видимости белого диска 2б. Установлено, что между ними имеется хорошая корреляция. Толщина эвфотического слоя при изменении Zб в диапазоне 8 - 16 м составляла 22 - 47 м.

Использование белого диска для определения Нэвф привлекает особое внимание ввиду простоты методики этих измерений. В настоящей работе рассматривается метод использования белого диска для определения характеристик эвфотического слоя в Черном море в зимне-весенний период.

Метод расчета Нэвф по глубине видимости белого диска Zб. Отправным моментом при разработке предлагаемой методики явилась установленная в работе [4] для вод Черного моря связь между показателем вертикального ослабления дневного света а на длине волны 525 нм и глубиной видимости белого диска Zб. По измерениям в весенний период установлено соотношение

а

В зимне-весенний период (декабрь - апрель) вследствие конвективного перемешивания в верхних слоях моря до глубин 50 - 60 м наблюдается квазиоднородное вертикальное распределение оптических характеристик [4]. Таким образом, величину а (525), определенную по измерениям Хб в поверхностных слоях (до глубин « 20 м), можно в квазиоднородном приближении использовать при расчетах и для более глубоких слоев моря.

Для расчетов вертикального распределения в море суммарной облученности необходимо знать спектральное распределение а(Л). Такие данные для спектральной области 400 - 680 нм были получены в работе [5] путем обработки осредненных для слоя 0 - 30 м результатов измерений а (Л), выполненных в Черном море в весенний период. В результате статистической обработки этих данных были определены коэффициенты связи спектральных величин а ( Л ) с величиной а (525).

С использованием этих связей были рассчитаны спектральные величины а (Л) для вод с разной глубиной видимости белого диска. Они представлены в табл. 1 и на рис. 1. На спектрах видно типичное изменение положения ми-

16

ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 6

нимума а (Л) в зависимости от прозрачности воды: при Zб = 20 м он находится в области 465 нм, а при Zб = 5 м минимум расположен в районе 535 нм.

Т а б л и ц а 1

Спектральные величины показателя вертикального ослабления света а (Л), м-1 (1п) в водах с разной глубиной видимости белого диска Zб

Zб, м

5 8 11 14 17 20

400 0,752 0,427 0,275 0,193 0,136 0,073

425 0,597 0,346 0,230 0,167 0,122 0,071

465 0,425 0,242 0,157 0,111 0,074 0,042

500 0,343 0,203 0,138 0,103 0,078 0,050

525 0,276 0,173 0,125 0,099 0,081 0,060

535 0,270 0,173 0,129 0,104 0,087 0,068

620 0,459 0,386 0,352 0,333 0,320 0,306

680 0,722 0,624 0,580 0,555 0,538 0,519

Рис. 1. Спектральное распределение показателя вертикального ослабления света а (Л ) в водах с разной глубиной видимости белого диска 1б

Спектральное распределение солнечной радиации, падающей на поверхность моря, слабо зависит от облачности и высоты Солнца, кроме его высот,

ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 6

17

составляющих менее 15°. С учетом этого для расчетов взято типичное распределение энергии Солнца Е( Я) на уровне моря, представленное в статье [6] для высоты Солнца 30°. В табл. 2 приведены спектральные величины энергетической облученности Е( Я), а также рассчитанные по ним спектральные величины квантовой облученности Q( Я). Величины Q( Я) рассчитывались по соотношению

Q( Я), квант-м-2-нм-1-с-1 = Л/1987-1019 E( Я), Вт-м-2-нм-1.

Т а б л и ц а 2

Спектральная плотность энергетической Е( Я)0 и квантовой 2( Я)0 облученностей поверхности моря солнечной радиацией при высоте Солнца 30°

Я , нм Е( Я)0-10, Вт-м-2-нм-1 Q( Я)0-10-18, квант-

400 5,23 1,05

425 5,85 1,25

450 7,41 1,68

475 8,15 1,95

500 8,27 2,08

525 7,87 2,08

550 7,19 1,99

575 7,72 2,23

600 7,53 2,27

625 7,16 2,25

650 6,89 2,25

675 6,58 2,23

700 6,26 2,21

-2 -1 -1 : •нм •с

Приведенным в табл. 2 величинам E(Я)0 и Q(Я)0 соответствуют суммарные облученности в области 400 - 700 нм: E0 = 217 Вт-м-2; Q0 = = 603-1018 квант-м-2 -с-1. На нижней границе эвфотического слоя суммарная облученность (с учетом потерь, составляющих несколько процентов, за счет отражения при прохождении радиации через поверхность моря) составит: энергетическая - около 2 Вт-м-2; квантовая - около 6-1018 квант-м-2 -с-1.

По данным табл. 1 и 2 рассчитано вертикальное распределение в море энергетической и квантовой облученностей. Область спектра 400 - 700 нм была разбита на 10 интервалов АЯ, шириной по 30 нм каждый с длинами

волн Яj в середине интервалов: 415; 445; 475; 505; 535; 565; 595; 625; 655;

685 нм. Облученность в каждом из интервалов на глубине Н рассчитывалась как

А ЕН = E

где E( Я;)0 - спектральная плотность облученности на глубине Н = 0 м, а а ( Я j) - показатель вертикального ослабления на длине волны Я j в середине интервала. Суммарная облученность ЕН = £ А ЕН. Аналогично рассчитывалась и квантовая облученность QH.

18 ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 6

Результаты расчетов и их обсуждение. На рис. 2 и 3 показано вертикальное распределение энергетической и квантовой облученностей в диапазоне 400 - 700 нм в водах с разной величиной Zб. Показатель вертикального ослабления суммарной облученности во всех водах с увеличением глубины уменьшается. Этот известный в оптике моря факт объясняется постепенным сужением спектра нисходящей облученности за счет более быстрого ослабления в верхних слоях моря излучения в коротковолновой и длинноволновой областях. В результате этого на больших глубинах остается излучение с длинами волн в средней области спектра, где показатели ослабления а (Л) наиболее низки.

Р и с. 2. Вертикальное распределение энергетической облученности £(400 - 700 нм) в море при разной глубине видимости белого диска 1б

В табл. 3 приведены формулы, описывающие относительное вертикальное распределение облученностей, показанных на рис. 2 и 3. Используя эти формулы, можно рассчитать абсолютные величины энергетической и квантовой облученностей на разных глубинах, зная величину падающего на поверхность моря излучения £(400 - 700) и Q(400 - 700) и введя поправку на ослабление излучения при прохождении его через поверхность моря.

ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 6

19

Р и с. 3. Вертикальное распределение квантовой облученности 0(400 - 700 нм) в море при разной глубине видимости белого диска 1б

Т а б л и ц а 3

Формулы вертикального распределения энергетической lg\Ен/Е0\ = /

2б,м ДИ) энергетической облученности Я2(£) /(И) квантовой облученности ^(0

5 0,002И2-0,19И-0,003 0,999 0,0019И2-0,189И-0,004 0,999

8 0,0012И2-0,13И-0,01 0,999 0,0013И2-0,133И-0,009 0,999

11 0,0006И2-0,09И-0,03 0,999 0,0007И2-0,095И-0,029 0,999

14 0,0004И2-0,07И-0,05 0,999 0,0005И2-0,073И-0,048 0,998

17 0,0002И2-0,05И-0,06 0,998 0,0003И2-0,056И-0,078 0,997

20 0,0002И2-0,04И-0,08 0,997 0,0002И2-0,045И-0,096 0,996

П р и м е ч а н и е: глубина Н дана в метрах.

20

ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 6

Результаты расчетов глубин энергетической и квантовой облученностей на уровнях 0,1 и 0,01 от поверхностной облученности при разных величинах Zб показаны на рис. 4 и 5. Связь этих параметров с Zб - нелинейная. Формулы связи приведены в табл. 4.

Р и с. 4. Связь глубин энергетической облученности £(400 - 700 нм) на уровнях 0,1 и 0,01 от поверхностной облученности с глубиной видимости белого диска Zб

Т а б л и ц а 4

Формулы связи глубин энергетической Е и квантовой Q облученностей

в спектральном диапазоне 400 - 700 нм на уровнях 0,1 и 0,01 от поверхностной облученности с глубиной видимости белого диска ^

Облученность

Формула

Энергетическая Энергетическая Квантовая Квантовая

Н(Е0Л), м = 0,0284Zб2+0,4431Zб+3,3504 Н(Е0,01), м = 0,0841Zб2+0,8359Zб+7,0317 Н^), м = 0,0204Zб2+0,5248Zб+3,0187 Н(00,01), м = 0,0931Zб2+0,4793Zб+8,7591

ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 6

21

Р и с. 5. Связь глубин квантовой облученности 0(400 - 700 нм) на уровнях 0,1 и 0,01 от поверхностной облученности с глубиной видимости белого диска 1б

В табл. 5 приведены глубины ослабления облученности до уровней 0,1 и 0,01 от поверхностной. Видно, что толщина эвфотического слоя для энергетической и квантовой облученностей разная - для энергетической она больше. Особенно это заметно для прозрачных вод с глубинами Zб > 14 м. Объясняется данный факт разным спектральным распределением величин Е( Л )0 и 0( Л )0 в падающей на поверхность моря солнечной радиации (табл. 2).

Т а б л и ц а 5

Глубины Н ослабления энергетической Е и квантовой Q облученностей в спектральном диапазоне 400 - 700 нм до уровней 0,1и 0,01 от поверхностной облученности в водах с разной величиной Zб

Глубина, м £б, м

5 8 11 14 17 20

Н(ЕоЛ) Н(Ео,оО Н(0ол) Н(6о,о1) 6,1 13,2 6,1 13,1 9,0 19,3 8,8 19,1 11,8 26,6 11,4 26,0 14,7 34.6 14,3 32.7 19,2 46.0 18.1 43,8 23,6 57,3 21,9 55,8

22

ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 6

В ряде работ толщину эвфотического слоя для энергетической облученности оценивают не по убыванию суммарной облученности, а по убыванию энергетической облученности в какой-либо области спектра, как правило, используя для этого центральную область видимого диапазона. Например, в работе [8] по величине показателя вертикального ослабления света на длине волны 490 нм, определенного по спутниковым данным, рассчитаны толщины Нэвф в Черном море в различные сезоны года.

Толщина эвфотического слоя в этом случае вычисляется по формуле Нэвф = 4,6/а(Я). В связи с этим представляет практический интерес связь Нэвф для суммарной облученности в области ФАР с Нэвф для спектральной энергетической облученности. На рис. 6 показана связь Нэвф для суммарных энергетической и квантовой облученностей (400 - 700 нм) при разных величинах Zб с Нэвф, рассчитанной по величине а (490). Величины а (490) для вод с разной величиной Zб определены по табл. 1. Как видно из графиков, эти связи характеризуются высокими коэффициентами корреляции.

ЯЭЕф(Е), НЛО), м

Р и с. 6. Связь толщины эвфотического слоя для суммарных энергетической Е и квантовой 2 облученностей (400 - 700 нм) с толщиной эвфотического слоя для спектральной энергетической облученности Е на длине волны 490 нм

ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 6

23

Наглядным параметром при сравнении различных данных о связи характеристик эвфотического слоя с глубиной видимости белого диска является параметр S, показывающий отношение глубин энергетической и квантовой облученностей на уровнях 0,1 и 0,01 от поверхностной облученности к величине Хб (табл. 6).

Т а б л и ц а 6

Отношение глубин энергетической Е и квантовой Q облученностей в спектральном диапазоне 400 - 700 нм на уровнях 0,1 и 0,01 от поверхностной облученности к глубине видимости белого диска Zб

Параметр ¿б м

5 8 11 14 17 20

£(Е0Л)=Н(Е0Л)/ 1,22 1,12 1,07 1,05 1,13 1,18

£(£0,01)=Я(Е0,01)/ 2б 2,56 2,41 2,42 2,47 2,71 2,87

£(е<и)=я(еа1)/ ¿б 1,22 1,10 1,04 1,02 1,06 1,09

£(дом)=щдом)/ ¿б 2,62 2,37 2,36 2,33 2,57 2,79

В работе [3] приводятся значения параметра £(£0,01) в Черном море, рассчитанные по результатам измерений погружаемым фотометром вертикального распределения энергетической облученности в спектральной области 400 -700 нм. По данным измерений в марте [3] глубина видимости белого диска изменялась в пределах 8 - 12,5 м (^б> = 10 м), число измерений N = 10. Среднее значение параметра £(£0,01) составило <£(£0 01)> = 2,6 со стандартным отклонением 0,26. По нашим расчетам (табл. 6) значение параметра £(£0,01) для глубины видимости белого диска 11 м составляет 2,42. Сравнение показывает близкие значения рассчитанной и экспериментальной величин параметра £(£0,01). О причинах некоторого отличия рассчитанного параметра £(£0,01) от экспериментального по имеющимся у нас данным пока судить трудно.

С использованием связи толщины эвфотического слоя для суммарной квантовой облученности Нэвф.квант с глубиной видимости белого диска была построена карта распределения этой величины в Черном море в весенний период 1995 г. (рис. 7). При построении карты использовались значения Zб, измеренные в 33-м рейсе НИС «Профессор Колесников», проходившем в период 16.03 - 06.04.1995 г. На карте видна значительная пространственная изменчивость Нэвф.квант от минимальных величин 14 - 16 м в Каркинитском заливе и у Южного берега Крыма до максимального значения 58 м в восточной части глубоководной области моря.

Низкие величины Нэвф.квант у Южного берега Крыма обусловлены выносом мутных вод Азовского моря через Керченский пролив в Черное море. Попадая в Основное Черноморское течение, эти воды, в виде отдельных пятен, движутся вместе с ним на запад вдоль берегов Крыма, создавая контраст с более чистыми водами Черного моря.

24

ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 6

45.5°-с.ш. 45°-

44.5°-

44°-

43.5°-43°-

.д.

Р и с. 7. Распределение в Черном море толщины эвфотического слоя (м) для квантовой облученности ß(400 - 700 нм) в весенний период 1995 г., рассчитанное по глубине видимости белого диска Zg

Относительно максимальных величин Нэвф.квант, наблюдавшихся в восточной глубоководной части моря, отметим, что они находились в области максимальных климатических величин Z6 в Черном море в весенний период [7]. В этом же районе наблюдались максимальные величины Нэвф для спектральной энергетической облученности (длина волны 490 нм) в марте - апреле 2007 г., рассчитанные в работе [8] по спутниковым данным. По шкале градаций из статьи [8] максимальные величины Нэвф(490) в этом районе составляли ~ 40 м. В пересчете на величину суммарной квантовой облученности (рис. 6) это составляет около 30 м. То есть весной 1995 г. толщина эвфотического слоя Нэвф.квант = 58 м в этом районе была приблизительно в 2 раза больше, чем весной 2007 г.

Выводы.

1. Разработан метод определения характеристик эвфотического слоя в Черном море по глубине видимости белого диска в зимне-весенний период.

2. Получены формулы связи глубин энергетической и квантовой облу-ченностей на уровнях 0,1 и 0,01 от поверхностной облученности с глубиной видимости белого диска.

3. Рассчитаны параметры связи толщины эвфотического слоя для суммарных энергетической и квантовой облученностей с толщиной эвфотиче-ского слоя для спектральной энергетической облученности на длине волны 490 нм.

4. Проведено сравнение результатов расчета толщины эвфотического слоя с экспериментальными данными, показавшее близкие значения теоретических и экспериментальных величин.

5. По полученной формуле связи толщины эвфотического слоя для квантовой облученности с глубиной видимости белого диска построена карта распределения Нэвф.квант в Черном море в весенний период 1995 г.

ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 6 25

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. ЕрловН. Оптика моря. - Л.: Гидрометеоиздат, 1980. - 247 с.

2. Левин И.М., Николаев В.П. Об оценке вертикального ослабления квантовой облученности в области фотосинтетически активной радиации в Черном море // Океанология. -1992. - 32, вып. 2. - С. 241 - 245.

3. Ведерников В.И. Особенности распределения первичной продукции и хлорофилла в Черном море в весенний и летний периоды // Изменчивость экосистемы Черного моря. Естественные и антропогенные факторы. - М.: Наука, 1991. - С. 128 - 147.

4. Маньковский В.И. Метод определения спектральных величин подводной квантовой облученности в области фотосинтетически активной радиации по глубине видимости белого диска // Морской гидрофизический журнал. - 1999. - № 3. - С. 84 - 88.

5. Возняк Б., Хаптер Р., Ведерников В.И. Поступление фотосинтетически активной радиации в эвфотическую зону Черного моря в апреле - мае 1984 г. // Исследования экосистемы пелагиали Черного моря. - М.: ИО АН СССР, 1986. - С. 198 - 221.

6. Шифрин К.С. Подводная облученность // Океанология. Физика океана. Т. 1. Гидрофизика океана / Под ред. В.М. Каменковича, А.С. Монина. - М.: Наука, 1978. - С. 375 -378.

7. Маньковский В.И., Соловьев М.В. Гидрооптические характеристики Черного моря в период 1922 - 1985 гг. (климатические карты) // Экологическая безопасность прибрежной и шельфовой зон и комплексное использование ресурсов шельфа. - Севастополь: МГИ НАН Украины, 2003. - Вып. 8. - С. 23 - 47.

8. Чурилова Т.Я. Сезонная и межгодовая вариабельность глубины зоны фотосинтеза в Черном море по модельным расчетам // Там же. - Севастополь: МГИ НАН Украины, 2009. - Вып. 19. - С. 265 - 278.

Морской гидрофизический институт НАН Украины, Материал поступил

Севастополь в редакцию 28.03.12

E-mail:emankovskaya@mail.ru После доработки 13.06.12

АНОТАЦ1Я Для вод Чорного моря в зимово-весняний перюд розроблений метод розрахунку характеристик евфотичного шару за глибиною видимосл бшого диска. Для спектрально! обла-сл 400 - 700 нм отримано формули зв'язку глибин енергетичного та квантового опромшення на ргвнях 0,1 та 0,01 ввд поверхневого опромшення з глибиною видимосл бшого диска. За формулою зв'язку товщини евфотичного шару для квантового опромшення з глибиною видимосл бшого диску побудована карта розподшу Яевф.квант у Чорному морi у весняний перюд 1995 р.

Ключовi слова: опромшення енергетичне, опромшення квантове, евфотичний шар, показ-ник вертикального ослаблення свила, глибина видимосл бшого диску.

ABSTRACT Method for calculating the euphotic layer characteristics using the Secchi disk depth is developed for a winter-spring period in the Black Sea. For the spectral band 400 - 700 nm the relationships between the depths where energy and quantum radiations are equal to 0.1 and 0.01 of the surface values, and the Secchi disk depth are obtained. According to the relationship between the euphotic layer thickness at quantum irradiance and the Secchi disk depth, the map of the Heuphquant climatic distribution in the Black Sea during spring, 1995 is constructed.

Keywords: irradiance, quantum irradiance, euphotic layer, light attenuation coefficient, Secchi disk depth.

26

ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2013, № 6