Маньковская Е. В.

Морской гидрофизический ин-т НАН Украины, отдел автоматиз. океанографич. иссл-ий, аспирант

Научный руководитель: зав. отделом автоматиз. океанографи. иссл-ий, д.т.н. В. А. Гайский

МЕТОДЫ РАСЧЕТА ПАРАМЕТРОВ СОСТОЯНИЯ МОРСКОЙ СРЕДЫ ПО ИЗМЕРЕНИЯМ ПОКАЗАТЕЛЯ ОСЛАБЛЕНИЯ СВЕТА

При проведении оптических мониторингов природных водоемов широко используются измерения показателя ослабления направленного света (ПОС). Представляет интерес получение дополнительной информации о параметрах состояния морской среды на основе этих измерений.

Величина ПОС морской воды является суммарным эффектом поглощения и рассеяния света чистой водой и содержащимися в ней растворенными и взвешенными веществами: хлорофиллом, органическими соединениями (желтое вещество), минеральной и органической взвесью. Для решения ряда задач, связанных с экологической оценкой состояния морской среды, важно знать величины концентраций данных компонентов.

Точные значения концентраций веществ на сегодняшний день определяются только в лабораторных условия в пробах воды. Однако для определения концентрации примесей в воде можно использовать эмпирические связи, установленные опытным путем. Кроме того, существуют экспериментально установленные связи показателя ослабления направленного света с рядом других гидрооптических характеристик, что также может быть использовано для получения дополнительной информации об оптическом состоянии водной среды.

В данной публикации описываются методы, позволяющие на основе измеренных значений ПОС получить ряд показателей состояния среды.

Спектральное распределение показателя ослабления. Измерения показателя ослабления направленного света обычно проводятся с помощью прозрачномеров, чаще всего измеряющих значения ПОС на одной или двух длинах волн.

Для более полной характеристики состояния водной среды важно знать показатели ослабления по всему видимому спектру. Непосредственные спектральные значения ПОС можно получить, используя спектрофотометр с широким диапазоном длин волн. Однако такой прибор является более дорогостоящим и более сложным в техническом обслуживании и эксплуатации.

Существует возможность восстановления спектрального распределения показателя ослабления направленного света по измерениям на двух, и даже на одной, длинах волн.

Одним из способов такого восстановления могут служить корреляционные зависимости между спектральными величинами ПОС для данного водоема. То есть можно, измерив показатель ослабления на какой-либо длине волны, зная коэффициенты регрессии, рассчитать его величины для других длин волн. Так, в водах Черного моря коэффициент корреляции величины ПОС, измеренного на длине волны 527 нм, с величинами ПОС в спектральной области 416-700 нм составляет 0,812-0,988 [1].

Более точные результаты восстановления величин показателя ослабления по всему спектру получаются при использовании системы собственных ортогональных векторов, описывающих спектральное распределение показателя ослабления в данном водоеме. Подобные системы построены для вод Черного и Средиземного морей [1, 2].

Спектральные величины показателя ослабления при использовании двух векторов расчитываются по формуле:

,

где  – среднестатистические значения показателя ослабления;  – первый и второй ортогональные векторы; – весовые коэффициенты, определяемые из системы уравнений:

_,

где и – измеренные значения ПОС на длинах волн и соответственно.

Величины среднеквадратических ошибок восстановления спектральных величин ПОС обоими методами приемлемы для решения многих гидрооптических задач.

Имея спектральные значения ПОС можно, используя существующие эмпирические зависимости, рассчитать концентрации компонентов воды и другие гидрооптические параметры.

Величина показателя ослабления света водой определяется как сумма показателей поглощения и рассеивания света чистой водой и содержащимися в ней веществами:

,

где: , , , - показатели поглощения чистой водой, желтым веществом (гумусовые кислоты), хлорофиллом, взвесью; , – показатели рассеивания чистой водой (молекулярное рассеяние), взвесью.

Показатель поглощения взвесью мал и его влияние в ослаблении света принято не учитывать [3].

Концентрация взвеси. Это весовая концентрация взвешенных минеральных и органических веществ в единице объема, мг/л. Для ее определения используется показатель ослабления в красной области спектра, где изменчивость его величины зависит практически только от изменчивости концентрации взвеси. Существуют установленные связи между ПОС и концентрацией взвеси.

Для вод Черного моря (глубины до 90 м) установлена подобная зависимость [4]. Например, для длины волны нм используется выражение: . Коэффициент корреляции . Среднеквадратическая ошибка мг/л.

Концентрация хлорофилла. В клетках живой органической взвеси – фитопланктона – содержатся центры поглощения света, представленные различного рода пигментами. Главный из пигментов – хлорофилл «а». Концентрацию хлорофилла «а» (мг/м³) также можно рассчитать по имеющимся эмпирическим соотношениям, установленным для данного водоема.

Например, для вод Черного моря: . Коэффициент корреляции . Среднеквадратическая ошибка мг/м³ (для ). Для вод озера Байкал: . Коэффициент корреляции .

По концентрации хлорофилла в верхних слоях (до 100 м) морей и океанов определяют трофность вод: олиготрофные (мало продуктивные) – мг/м³, мезотрофные (средней продуктивности) – мг/м³, эвтрофные (высокопродуктивные) – мг/м³.

Концентрация желтого вещества. Спектральная зависимость показателя поглощения света желтым веществом (ЖВ) аппроксимируется формулой:

,

где – удельный показатель поглощения света желтым веществом на длине волны , м²/г; – концентрация желтого вещества, г/м³; – коэффициент, варьирует в пределах 0,011-0,019 нм^-1.

Тогда концентрацию желтого вещества можно определить по формуле:

.

Величина для длины волны нм дана в [5]. Коэффициент берется по [6].

Величину показателя поглощения ЖВ можно определить косвенным методом, используя наблюдающуюся в экспериментах связь показателя рассеивания с показателем ослабления света водой.

Для вод Черного моря такая связь установлена по измерениям на длине волны 525 нм [7]. По измерениям в слое 0–50 м связь имеет вид: , где . Коэффициент корреляции .

А, например, для Гданьского залива Балтийского моря по [8] формула такова: .

Зная концентрацию хлорофилла, величину можно определить по формуле: , где – удельный показатель поглощения света пигментами хлорофилла, м²/мг [3, табл. 6.5]. Величина берется из [9].

Заключение. Достоверность восстановления информации по эмпирическим зависимостям уступает непосредственному измерению или определению параметров среды. Однако это расширяет возможности оперативной оценки состояния среды по измерениям ограниченного числа оптических параметров.

Достоверность такого восстановления может быть повышена, если будут получены соответствующие новые оптико-биологические экспериментальные данные для различных водоемов.

Информационные источники:

1.     Маньковский В.И., Соловьев М.В. О возможности восстановления спектрального распределения показателя ослабления излучения в поверхностных водах Черного моря по измерениям на одной длине волны // Сб. науч. тр./ Системы контроля окружающей среды / МГИ НАНУ – Севастополь: НПЦ «ЭКОСИ-Гидрофизика», 1999. – С.119–124.

2.     Mankovsky V.I., Solov’ev M.V. Spectra of the beam attenuation coefficient in the upper water of the Mediterranean Sea // Proc. III Intern. conf. «Current Problems in Optics of Natural Waters». – St. Peterb, 2005. – P. 123-127.

3.     Оптика океана. Т. 1. Физическая оптика океана / Под ред. А.С. Монина. – М.: Наука, 1983. – Гл. 6–8. – 371с.

4.     Маньковский В.И., Соловьев М.В. Связь показателя ослабления излучения с концентрацией взвеси в водах Черного моря // Морской гидрофиз. журнал. – Севастополь: МГИ НАНУ. – 2003. – № 2. – С. 60–65.

5.     Nyquist G. Investigation of some optical properties of sea water with special reference to lignin sulfonates and humic substances // Thesis Dep. Anal. Mar. Chem., 1979. – Goteburg, 1979. – P. 200.

6.     Carder K.L., Steward R.G., Harvey G.R., Ortner P.B. Marine humic and fulvic acids: Their affects on remote sensing of ocean chlorofill // Limnol. and Oceanogr. – 1989. – 34, N.1. – Р. 68-81.

7.     Маньковский В. И. Вероятность выживания фотона и ее связь с показателем ослабления направленного света в водах Черного моря // Морской гидрофиз. журнал. – Севастополь: МГИ НАНУ. – 2005. – № 6. – С. 68–76.

8.     Dera J., Gosh L., Wozniak B. Experimental study of the composite of the light-beam attenuation process in the waters of the gulf of Gdansk // Oceanologia. – Polska Akademia Nauk. – 1978. – № 10. – P. 5-24.

9.     Smith R.C., Baker K.S. Optical properties of the clearest natural waters (200-800 nm) // Appl. Opt. – 1980. – V. 20. – № 2. – P. 177-186.