Геология и география/6.Природопользование и экологический  мониторинг.

Д.ф.-м.н., профессор Букин О.А., Юрчик В.Ф.

Морской государственный университет им. адм. Г.И. Невельского

Современные лазерные технологии в экологическом мониторинге океана и атмосферы.

В работе приводятся результаты разработки современных лазерных технологий для проведения мониторинга атмосферы и океана в целях исследования динамики основных климатообразующих факторов в северо-западной части Тихого океана, воздействия климатических изменений на фитопланктонные сообщества и их роли в изменении климата. Изучение механизмов взаимодействия лазерного излучения (включая излучение лазерных импульсов фемтосекундной длительности) с компонентами атмосферы, органическим веществом, присутствующим в океане в различных формах (включая клетки фитопланктона) позволяет разрабатывать оперативные методы мониторинга и исследовать взаимовоздействие основных климатообразующих факторов и фитопланктонных сообществ. Использование этих методов совместно со спутниковыми методами мониторинга океана и атмосферы позволяет не только получать новую информацию о динамике основных климатообразующих факторов, но и проводить исследования их воздействия на основное звено в цепи морских экосистем - фитопланктонные сообщества. В последнее время фитопланктонные сообщества рассматриваются как возможный инструмент глобального воздействия на концентрацию основного парникового газа в атмосфере – двуокиси углерода [1,2], поэтому методы мониторинга должны сочетать в себе возможности определения основных параметров, характеризующие динамические процессы, протекающие в атмосфере и океане, в климатических масштабах, и определения микрофизических параметров атмосферы и состояния клеток фитопланктона. Это позволит не только отслеживать основные климатические изменения, которые происходят в данном регионе, и оценить реакцию морских экосистем на происходящие изменения, но и исследовать возможность влияния на резкие изменения климата за счёт воздействия фитопланктонных сообществ на основные компоненты радиационно-активных составляющих атмосферы (двуокись углерода и морской аэрозоль в приводном слое атмосферы). Такую возможность представляют методы, сочетающие спутниковое пассивное и лазерное – активное зондирование океана и атмосферы. В течение длительного времени проводилась отработка комплексных методов мониторинга, выполнялись натурные эксперименты по разработке лазерных технологий исследования атмосферы и океана, изучения фитопланктонных сообществ, с использованием активного – лазерного зондирования и пассивного – спутникового мониторинга.

К настоящему времени, Морской государственный университет им. адм. Г. И. Невельского в кооперации с институтами ДВО РАН – Тихоокеанским океанологическим институтом им. В. И. Ильичёва и Институтом автоматики и процессов управления, осуществил разработку ряда методик и аппаратно-программных комплексов, которые используются для проведения исследований взаимовоздействия основных климатообразующих факторов, действующих на акватории Северо-западной части Тихого океана и фитопланктонных сообществ [3-13]. Это как стационарные аппаратно – программные комплексы, так и судовые варианты, которые предназначены для проведения измерений во время морских экспедиций.

Стационарная лидарная станция, оснащённая лидарами для измерения параметров атмосферного аэрозоля и озона, позволяет проводить исследования динамики вертикального распределения основных радиационно-активных компонентов атмосферы в тропо- и стратосфере. На станции осуществляется так же мониторинг концентрации двуокиси углерода и измерение микрофизических параметров аэрозолей.

251658240 Рис. 1а. Лидар для измерения концентрации озона.

251658240 Рис. 1б. Многочастотный аэрозольный лидар.

В комплексе с судовыми измерениями это позволяет проводить анализ динамики основных климатообразующих факторов в регионе над морскими акваториями и в переходной зоне материк – океан.

Основная цель проведения исследований в морских экспедициях состоит в: исследовании пространственно-временного распределения полей концентрации хлорофилла А и растворённого органического вещества (РОВ); получении данных для подспутниковых измерений концентрации хлорофилла А, РОВ; измерении вертикального распределения концентрации и микрофизических параметров атмосферного аэрозоля; получении гидрологических данных о верхнем слое океана. Для этого в экспедициях проводится: лидарное зондирование атмосферы, забор проб аэрозоля для последующего определения его микрофизических характеристик и элементного состава, измерение концентрации основных парниковых газов в атмосфере над морской поверхностью, определение метеопараметров атмосферы, измерение концентрации хлорофилла А и растворённых органических веществ в морской воде, а так же гидрологическое зондирование верхнего слоя океана. Разработанные нами лазерные аппаратно-программные комплексы позволяют проводить измерения практически непрерывно по ходу судна параметров атмосферного аэрозоля, концентрации хлорофилла А и РОВ. Таким образом, обеспечивается большая статистика измерений на исследуемых акваториях.

Анализ данных, полученных на протяжении более чем десяти лет, позволяет сделать некоторые выводы о воздействии наиболее характерных для нашего региона климатообразующих факторов (таких как тропические циклоны, извержения вулканов, пылевые бури) на состояние фитопланктонных сообществ.

На рис. 2 приведён один из примеров воздействия тропических циклонов на распределении концентрации хлорофилла А в верхнем слое океана. Показан пример воздействия тайфуна Ioke на верхний слой океана. Рис. 2а – относительное изменение концентрации хлорофилла-а, рис. 2б – относительное изменение температуры морской поверхности. Виден четкий след от движения тропического циклона, проявляющийся, как на поле гидрологических параметров морской воды, так и на поле биооптических параметров.

251658240251658240

а б

Рис. 2. Пример воздействия тайфуна FI на верхний слой океана, 7 сентября 2007 года. (а) относительное изменение хлорофилла-а (б) относительное изменение температуры.

На рис. 3 представлены результаты анализа относительного изменения концентрации хлорофилла-а и температуры. Видно значимое повышение концентрации хлорофилла-а и значимое понижение температуры.

251658240

Рис. 3. Анализ относительных изменений анализируемых параметров в Северо-западной части Тихого океана, 1 – гистограмма, 2 – функция распределения плотности вероятности, 3 – функция распределения суммарной вероятности. (а) концентрация хлорофилла-а; (б) температура морской поверхности.

Повышение концентрации хлорофилла-а зафиксировано в 81% случаев, понижение температуры в 76%. Наиболее вероятное изменение концентрации хлорофилла-а составило +18%, температуры -3%.

На рис. 4. представлено изменение концентрации хлорофилла-а и температуры по времени.

Развитие роста клеток фитопланктона начинается на 2-4 день после прохождения тропического циклона и может продолжаться несколько недель. Оценка среднего увеличения количества клеток фитопланктона в результате прохождения тропического циклона составила +46%.

251658240

Рис. 4. Среднее временное распределение изменения концентрации хлорофилла-а и температуры при прохождении тропического циклона в Северо-западной части Тихого океана.

Извержение вулканов, включая вулканы Северо – западной части Тихого океана, значительным образом меняет концентрацию аэрозоля в атмосфере и изменяет обычный радиационный баланс. За последние годы были отмечены самые значительные за последние 300 лет извержения вулканов на Курильских островах. Весной 2009 года на острове Матуа курильской гряды произошло крупное извержение вулкана пик Сарычева (Рис. 5), в результате которого продукты извержения достигли стратосферы.

251658240

Рис. 5. Фото извержения вулкана Пик Сарычев.

На рис. 6 показаны результаты лидарного аэрозоля в атмосфере над Охотским морем после извержения вулкана. Зондирование было проведено нами в экспедиции на парусном учебном судне «Надежда». Регистрировались слои вулканического аэрозоля до высот порядка 10 км.

251658240

Рис.6. Распределение аэрозоля после извержения вулкана.

Измерения показали, что после извержения, вулканический аэрозоль пребывает в стратосфере довольно длительное время. В случае с извержением вулканов Касаточи и Окмок на алеутских островах летом 2008 г. время нахождения аэрозоля в стратосфере достигло 3 месяцев, а после извержения вулкана Гримсвотн (Исландия) в мае 2011 г. аэрозольное облако регистрировалось в течение 5 месяцев после извержения. В обоих случаях аэрозольные слои регистрировались в атмосфере над г. Владивостоком.

Третий климатообразующий фактор, который характерен для нашего региона – это песчаные бури, в период с февраля по июнь, которые приходят с континентальных районов Китая (пустыня Гоби) и Монголии. В этот период наблюдается вынос большого количества аэрозоля на морские акватории и континентальные районы в северном и северо-восточном направлении. Можно отметить два фактора, которые работают в глобальных масштабах и связаны с этими процессами. Первое – изменение радиационного баланса за счёт увеличения концентрации аэрозоля в тропо и стратосфере и второе – воздействие пустынного аэрозоля на фитопланктонные сообщества (в процессе распространения пылевого облака над морскими акваториями происходит поступление большого количества минеральных веществ, содержащихся в аэрозолях, в верхний слой океана, которые влияют на концентрацию хлорофилла А в океане).

На рис.7 приведён спутниковый снимок пылевой бури, на рис. 8 – данные лидарного зондирования вертикального распределения атмосферного аэрозоля с борта судна над акваторией Японского моря. Пылевой аэрозоль поднимается до высот более 10 км, что объясняет его перенос на очень большие дистанции (в северном направлении до Камчатки в восточном до берегов Калифорнии).

251658240	251658240
Рис. 7. Спутниковый снимок. Цветными пикселами отмечен пылевой аэрозоль	Рис 8. Вертикальный профиль аэрозоль-молекулярного отношения во время пылевой бури
251658240 Рис. 9а. Акватория Японского моря, где проводились исследования.	251658240 Рис. 9б. Динамика аэрозольной оптической толщи и концентрация хлорофилла А.
251658240 Рис. 9в. Корреляционная функция	АОТ и концентрации хлорофилла.

На рис. 9 приведены результаты мониторинга концентрации хлорофилла А после прохождения пылевых облаков с территории пустыни Гоби над шельфовыми водами Японского моря с марта по июль месяцы. Район исследований показан на рис. 9а, на рис. 9б приведены результаты измерения аэрозольной оптической толщи в приповерхностном слое атмосферы и концентрации хлорофилла А (усреднённые по району исследований). Корреляционная функция (рис.9в) показывает, что увеличение концентрации хлорофилла А происходит через два дня после прохождения облака и выпадения минеральных веществ в ВСО.

Аппаратно-програмные судовые лазерные комплексы позволяют проводить подспутниковые измерения атмосферных параметров и биооптических параметров морской воды, это дает возможность не только определять реакцию фитопланктонных сообществ на поступление атмосферного аэрозоля в период прохождения пылевых бурь (т.е. определять изменение концентрации хлорофилла А), но и исследовать изменение эффективности фотосинтезирующего аппарата клеток фитопланктона под воздействием тех изменений, которые происходят в результате воздействия климатообразующих факторов на фитопланктонные сообщества. Измерение на больших масштабах спектров лазерной индуцированной флуорисценции органического вещества, содержащегося в верхнем слое океана в различных формах, и сопоставление их с данными спутниковых сканеров цвета морской поверхности позволяет исследовать изменение эффективности работы фотосинтетического аппарата клеток фитопланктона по воспроизводству растворённого органического вещества. Это позволяет разрабатывать новые оперативные методики оценки влияния климатических изменений на углеродные циклы в мировом океане.

ЛИТЕРАТУРА

1. K.H. Coale, K.S. Johnson, S.E. Fitzwater, et al. A massive phytoplankton bloom induced by an ecosystem-scale iron fertilization experiment in the equatorial Pacific Ocean // Nature. 1996. V. 383, № 6600. P. 495-501.

2. Boyd P.W., Watson A.J., Law C.S. et al. A mesoscale phytoplankton bloom in the polar Southern Ocean stimulated by iron fertilization // Nature. 2000. V. 407. № 6805. P. 695-702.

3. Букин О.А., Павлов А.Н., Салюк П.А., Кульчин Ю.Н., Шмирко К.А., Столярчук С.Ю., Бубновский А.Ю. // Особенности высотного распределения аэрозоля во время прохождения пылевых бурь над заливом Петра Великого в 2006 году и их воздействия на фитопланктонные сообщества Японского моря. Оптика атмосферы и океана. 2007, T.20, №4. С. 341-348.

4. А.Ю. Майор, А.Н Павлов, А. А. Ильин, П. А. Павлов, С. С. Голик, И. А. Ластовская. Лазерные методы исследования океана и атмосферы. «Дальневосточные моря. Книга 4. Физические методы исследования» М.: Наука. 2007. С. 579-622.

5. O.A. Bukin, A.N. Pavlov, M.S. Permyakov et al. “Continuous measurements of chlorophyll-a concentration in the Pacific Ocean by shipborne laser fluoromener and radiometer: comparision with SeaWiFS data”. International Journal of Remote Sensing. V.22. #2/3.2001. p.415-427.

6. Патент №2006115668 от 07. 06.2006 г. Лазерный ЛИС спектрометр. О. А. Букин, А.А. Ильин, Т.И. Морозова.

7. Пермяков М.С., Акмайкин Д.А., Салюк П.А., Букин О.А. Влияние тайфунов на поля концентрации хлорофилла «А» по данным сканера цвета морской поверхности SeaWiFS. Исследование Земли из космоса. 2005. №6. с.56-62.

8. Yurii E. Geints, Alexander A. Zemlyanov, Andrey M. Kabanov, Elena E. Bykova, Dmitrii V. Apeksimov, Oleg A. Bukin, Ekaterina B. Sokolova, Sergey S. Golik, Aleksey A. Ilyin. Angular diagram of broadband emission of millimeter-sized water droplets to gigawatt femtosecond laser pulses. Applied Optics V.50, Iss. 27, pp. 5291-5298, 2011.

9. Букин О.А., Салюк П.А., Майор А.Ю., Павлов А.Н. Исследование процессов воспроизводства органического вещества клетками фитопланктона методом лазерной индуцированной флуоресценции. Оптика атмосферы и океана. 2005. №11.с. 1-7.

10. Букин О.А., Салюк П.А., Майор А.Ю., Голик С.С., Ильин А.А., Буланов А.В., Бауло Е.Н. Использование методов лазерной спектроскопии при исследовании элементов углеродного цикла в океане. // Оптика атмосферы и океана, 2010. Т.23, № 3. С.223-228

11. Alexey A. Ilyin, Oleg A. Bukin and Ivan G. Nagorny, Supersonic regimes of plasma expansion during optical breakdown in air, Applied Physics Letters Vol. 96, №17, p. 171501 (2010).

12. Букин О.А., Шмирко К.А., Майор А.Ю., Павлов А.Н., Столярчук С.Ю., Корниенко Г.И., Ерофеев Д.В., Особенности распределения атмосферного аэрозоля по размерам в переходной зоне материк-океан, Известия Российской академии наук. Физика атмосферы и океана. 2010. Т. 46. № 2. С. 197-203.

13. Salyuk P.A., Bukin O.A., Pavlov A.N., Mayor A.Yu., Shmirko K.A., Akmaykin D.A., Krikun V.A. Optical properties of Peter the Great Bay waters compared with satellite ocean colour data // International Journal of Remote Sensing. 2010. Vol. 31, № 17&18. P. 4651-4664.