Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Современные представления о барьерных зонах заливов балтийского и белого морей 9
1.1. Классификация барьерных зон 9
1.2. Особенности проявления барьерных зон 19
1.2.1. Особенности проявления барьерных зон в Невской губе Финского залива 19
1.2.2. Особенности проявления барьерных зон в заливах Белого моря. 25
1.3. Методические подходы к изучению барьерных эффектов и фронтальных зон 26
1.3.1 Современные методы исследования барьерных эффектов. 26
1.3.2 Геоинфоумаиионные системы как инструмент для исследования эстуариых зон. 36
ГЛАВА 2. Комплексный анализ данных. относящихся к барьерной зоне река нева - финский залив 43
2.1 Анализ данных экспедиционных исследований в барьерной зоне реки Невы 43
2.2. Исследование динамики альбедо и температуры водной поверхности по данным дистанционного зондирования 51
2.3 Сравнение результатов комплексных измерений и моделирования гидрологических и химико-биологических процессов в финском заливе 66
ГЛАВА 3. Комплексный анализ данных, относящихся к барьерным зонам в заливах белого моря 81
3.1. Анализ данных экспедиционных исследований 81
3.2 Исследование динамики аномалий температуры и других характеристик водной поверхности по данным дистанционного зондирования 95
ГЛАВА 4. Разработка экоинформанионной системы для контроля барьерных зон 109
4.1 Обоснование системы дистанционных индикаторов для зон барьерных эффектов эстуариев рек 110
4.2 Обоснование структуры экоинформационной системы. 124
4.3. Разработка пилотных версий экоинформационных систем 130
Основные результаты работы и выводы. 144
Список литературы: 145
- Особенности проявления барьерных зон в Невской губе Финского залива
- Анализ данных экспедиционных исследований в барьерной зоне реки Невы
- Исследование динамики аномалий температуры и других характеристик водной поверхности по данным дистанционного зондирования
- Обоснование системы дистанционных индикаторов для зон барьерных эффектов эстуариев рек
Введение к работе
экологическое состояние вод прибрежных морских зон, испытывающих все
возрастающую антропогенную нагрузку.
В исследованиях Научно-исследовательского центра экологической безопасности Российской академии наук (НИЦЭБ РАН), Зоологического института РАН (ЗИН РАН), Института озероведения РАН (ИНОЗ РАН), Института водных проблем Севера Карельского научного центра (ИВПС КарНЦ РАН) и других показано, что в эстуарии реки Невы существуют зоны, в которых происходят интенсивные преобразования веществ-загрязнителей. Это так называемые барьерные зоны или маргинальные фильтры, которые удаляют более 90% загрязнения во взвеси и около 40% в растворах (Лисицын, 1994). Эти фильтры многоступенчатые с последовательной сменой гравитационной, физико-химической и биологической частей. Наличие таких зон, в которых проявляются барьерные эффекты, существенно меняет представление о вкладе региона Санкт-Петербурга в загрязнение Балтийского моря. Поэтому исследования барьерных эффектов становятся одной из наиболее актуальных проблем экологической безопасности.
В силу значительной пространственной протяженности водных объектов судовые (контактные) измерения не могут обеспечить необходимое пространственно-временное разрешение и повторяемость для мониторинга и оценки экологического состояния этих объектов. Наиболее эффективными в этом случае являются системы дистанционного зондирования. В то же время, данные дистанционного зондирования предоставляют, как правило, косвенную информацию о параметрах состояния водных объектов, не позволяя непосредственно контролировать многие важные параметры и процессы, происходящие в барьерных зонах. Поэтому всесторонние исследования барьерных зон и происходящих в них процессов возможны только при реализации комплексного подхода, основанного на контактных и
4
дистанционных измерениях, с использованием математического
моделирования.
Цель работы разработка и апробирование дистанционного метода индикации барьерных зон и создание на этой основе экоинформационной системы, исследуемых водных объектов.
Задачи работы. Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решить следующие задачи:
провести совместный анализ данных дистанционного зондирования, результатов математического моделирования и контактных экспедиционных исследований восточной части Финского залива Балтийского моря и заливов Белого моря с использованием геоинформационных технологий для выявления барьерных зон;
исследовать возможности дистанционной индикации барьерных зон и обосновать индикаторы, позволяющие выявлять такие зоны и изучать их динамику;
обосновать структуру экоинформационной системы (ЭИС), ориентированной на комплексный анализ данных дистанционного зондирования и подспутниковых экспериментов, а также на поддержку принятия решений на основе результатов математического моделирования;
разработать рабочие версии экоинформационных систем для исследования барьерных зон Финского залива Балтийского моря и заливов Белого моря.
Научная новизна работы состоит в следующем:
разработан новый метод индикации барьерных зон в эстуариях рек, включающий процедуры дистанционной индикации, основанные на применении модулей кластерного анализа ГИС IDRISI к данным дистанционного зондирования приборами AVHRR, SeaWiFS, МСУ-Э и других;
впервые проведено сопоставление данных дистанционного зондирования, ориентированных на контроль барьерных зон, с результатами специально спланированных и проведенных судовых наблюдений;
предложена система дистанционных индикаторов, позволяющая осуществлять контроль барьерных зон;
обоснована структура и разработаны рабочие версии экоинформационных систем, ориентированные на комплексный анализ данных дистанционного зондирования и подспутниковых экспериментов, относящихся к барьерным зонам Финского залива и заливов Белого моря.
Практическая значимость и реализация результатов работы.
Основные результаты и отдельные выводы, полученные автором, использовались при реализации международных проектов:
ИНТАС 99-00674 "The Water Quality In The Coastal Zone Of The Gulf Of Finland: Remote Sensing, Computer Modeling, Diagnostics, Development Of Strategic Tools For Sustainable Management" 1999-2001.
ИНКО-Коперникус № ICA2-CT-2000-10014, «Sustainable management of the marine ecosystem and living resources of the White Sea" 2000-2002,
а также при разработке геоэкологического атласа восточной части Финского
залива.
Кроме того, они могут быть использованы при планировании мест размещения
сбросов сточных вод в заливы, строительстве гидротехнических сооружений,
оценке нагрузки на водоем и его отдельные части, разработке рекомендаций по
рациональному использованию и охране водных объектов и в особенности
таких важных их частей как эстуарии.
Объектом исследования настоящей диссертационной работы является метод
дистанционного обнаружения, контроля барьерных зон в эстуариях важных
для Северо-Запада России водных объектов Белого и Балтийского морей.
Методы исследования:
дистанционные и контактные методы экологического мониторинга, наблюдений, в особенности для изучения особенностей полей температуры воды, концентрации хлорофилла-а, растворенных веществ;
методы анализа пространственных данных, реализованные в геоинформационных системах, таких как ГИС Arc View, IDRISI, ERDAS;
методы обработки данных дистанционного зондирования, реализованные в программных средствах, разработанных в Институте космических исследований РАН (в частности, XV_HRPT систем и др.);
методы интеграции полученных данных в экоинформационные системы.
Основные научные результаты, выносимые на защиту:
дистанционные индикаторы барьерных зон;
методы и приемы дистанционной индикации барьерных зон;
разработанные экоинформационные системы, ориентированные на комплексный анализ данных о состоянии окружающей среды.
Апробация работы.
Результаты исследований использовались при выполнении международных
проектов:
ИНТАС 99-00674 "The Water Quality In The Coastal Zone Of The Gulf Of Finland: Remote Sensing, Computer Modeling, Diagnostics, Development Of Strategic Tools For Sustainable Management".
- ИНКО-Коперникус № ICA2-CT-2000-10014, «Sustainable management of the
marine ecosystem and living resources of the White Sea".
При составлении геоэкологического атласа восточной части Финского залива, а также работах НИЦЭБ РАН.
Основные результаты диссертационной работы докладывались на: Санкт-Петербургской международной конференции "Региональная информатика-2000", 05-08 декабря 2000 г.;
всероссийской научной конференции «Дистанционное зондирование земных покровов и атмосферы аэрокосмическими средствами» - Муром 20-22.06 2001 г.;
всероссийской объединенной конференции "Технологии
информационного общества - Интернет и современное общество" (ISTAMS-2001) - Санкт-Петербург, 20.11 - 23.11.2001;
5 5-ой научно-технической конференции профессорско-преподавательского
состава Санкт-Петербургского государственного электротехнического
университета "ЛЭТИ", 22.01-2.02.2002;
международной конференции «Экология северных территорий России.
Проблемы, прогноз ситуации, пути развития, решения». ИЭПС.
Архангельск 2002;
конференции "Акватерра", Санкт-Петербург 12-15.11.2002;
Международном совещании, посвященном памяти академика Гранберга,
Москва, Институт океанологии РАН, декабрь 2002. Отдельные положения диссертации докладывались на семинарах НИЦЭБ РАН, в Международном центре по окружающей среде и дистанционному зондированию им. Нансена (Нансен центр) и в ИВПС КарНЦ РАН. Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 11 печатных работ, список которых приведен в конце автореферата.
Личный вклад автора. Автор работы обобщил и проанализировал основные публикации о состоянии Финского залива и Белого моря, разработал электронный архив данных, представив имеющиеся литературные данные в табличной и графической форме, которые были использованы в базе данных, экоинформационных системах; участвовал в планировании и проведении экспериментов на водных объектах; собрал архив спутниковых данных по Белому морю за последние 20 лет и по Финскому заливу - за последние 10 лет, обработал и проанализировал эти данные, выполнил сравнение результатов численного моделирования, контактных и дистанционных наблюдений для обоснования и получения индикаторов барьерных зон дистанционными методами, участвовал в разработке архитектуры, содержания и наполнении экоинформационных систем. Результаты исследований диссертационной работы были получены автором при участии в разработке ряда проектов.
Автор выражает глубокую признательность и искреннюю благодарность за помощь в проведении исследований, обсуждении и анализе их результатов члену-корреспонденту РАН Ю.С.Долотову, научному руководителю д.э.н.,
8 проф. В.К.Донченко, научным консультантам д.ф.-м.н. проф. Д. В. Позднякову, д.т.н., проф. В.В.Растоскуеву, директору Нансен центра к.ф.-м.н. Л. П. Бобылеву, директору Центра по окружающей среде и дистанционному зондированию им. Нансена проф. О. М. Иоханнессену (Норвегия), к.ф-м.н. В.А.Неелову (Институт Арктики и Антарктики), к.т.н. В.Х.Лифшицу (ИВПС КарНЦ РАН), к.ф.н. Г.М.Воропаевой (СПбГУ), к.ф-м.н. А.П.Лупяну (Институт космических исследований Российской академии наук (ИКИ РАН)), С.Кайтала (Финский институт морских исследований), а также Санкт-Петербургскому Электротехническому университету, ИВПС КарНЦ РАН и ЗИН РАН за предоставленные экспериментальные сведения, оборудование и возможность участия в экспедиции; фонду ИНТАС, предоставившему грант № YSF01/2-120 для завершения работы, а также всем участникам экспедиции на НИС «Эколог».
Структура и объем диссертационной работы. Работа состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы из 120 наименований и приложения на компакт-диске, содержащего экоинформационные системы для эстуариев Белого и Балтийского морей.
Особенности проявления барьерных зон в Невской губе Финского залива
Краткая характеристика особенностей Финского залива, важных для формирования барьерных зон приведена в приложении 1. В связи с пониженной соленостью вод Финского залива (3-7%) солевой барьер р. Нева выражен относительно слабо (Емельянов, 1995). Известно, что биогеохимические процессы изменения форм миграции осадочного материала у устьев рек наиболее интенсивно происходят между изогалинами 3-15/00. Поэтому процессы изменения форм элементов и седиментации в Финском заливе у устьев рек выражены слабо: они как бы "размазаны". Тем не менее между изогалинами 3 и 4/00 , т.е. у устья р. Невы, концентрация взвеси вод резко падает. Здесь из-за уменьшения скорости потока значительная часть взвеси попадает из поверхностного в придонный слой, частично осаждается во впадине у Котлин, частично с придонными водами мигрирует далее в более глубокие районы Финского залива. Богатая элементами (Р, Fe, Mn, Zn, Си, РЬ, Cd) взвесь разбавляется, и накапливается в виде илов с более низкими содержанием элементов.
Концентрация органического углерода Сорг в фитопланктоне Финского залива равна 38,03%, Са - 0,85%, Mg - 1,00%, Na - 3,3%, К - 1,04%, Р - 0,26%. Фитопланктон содержит практически все изученные микроэлементы (А1, Ті, Na, К, Со, Li, Rb, Cs, Hf, Sc, U, Th, La, Sm, Ce, Tb, Jb, Ln, Ag), причем их концентрации в фитопланктоне в 1000-10000 раз больше, чем в морской воде. Таким образом, и у устья р.Невы фитопланктон является сильнейшим концентратором не только биогенных элементов, но и металлов (Батурин, Емельянов, Стрюк, 1993).
В условиях Финского залива растворенный и взвешенный марганец наблюдается в понижениях дна, где отмечено понижение кислорода (менее 6-5 мл/л). Однако, кислорода в придонных водах все же достаточно для интенсивного окисления Мп и образования гелей его гидроокислов, в результате чего содержание Мп во взвеси придонных вод местами доходит до 10-15%. В то время как содержание железа во взвеси такое же, как и в верхней толще вод (2-5%) (Емельянов, 1998).
В Финском заливе флоккуляция и сорбция на твердые частицы растворенных форм металлов наиболее интенсивно происходит между изогалинами 3-6/00 (Емельянов, 1995). Наиболее высокий (отрицательный) коэффициент корреляции с соленостью наблюдается у обеих форм Мп и у взвешенной формы Fe.
Принесенные реками и образовавшиеся в зоне смешения флоккули и металлоорганические соединения гидролизуются и принимают форму гидроокисей и осаждаются на дно, начиная с ареалов впадины Котлин. Однако, процессы механического осаждения взвеси, биохимические процессы, процессы флоккуляции и сорбции не в состоянии извлечь "избыточные" по сравнению с морской водой количества переходных и тяжелых металлов непосредственно в зоне гидрологического фронта. Морскими течениями они выносятся на большие расстояния. Наличие морского течения, направленного против часовой стрелки, объясняет тот факт, что воды южных районов восточной части Финского залива намного чище, чем северных. Воды Выборгского залива, особенно в самой северной его части, менее загрязнены металлами, чем воды у о. Котлин - Березовых островов (Емельянов,Кравцов, 1991).
Как показали результаты исследования о нахождение тяжелых металлов в барьерной зоне, выполненные в НИЦЭБ РАН (Отчет «Экодинамика барьерного эффекта...», 1997), концентрация ионов Cd+2 Zn+2 и Cu+2 составляет от 50 до 100% их валового содержания на входе барьера и только 30-40% на выходе. Доля ионной формы свинца (Pb ) изменяется незначительно (от 15 до 10%) (Отчет «Экодинамика барьерного эффекта...», 1997). Барьерная зона в устье реки Невы отличается своеобразием, в первую очередь, обусловленным характером рельефа дна. Специфической особенностью этой барьерной зоны является ее вытянутость в пространстве (60-70км), низкая контрастность солевого барьера, а также сложный характер гидродинамических условий. При впадении Невы в губу происходит резкое уменьшение скоростей течения, в результате чего значительная часть взвеси погружается в придонные слои, а наиболее грубая часть выпадает в осадок. Поскольку в твердом стоке реки Невы преобладают мелкие фракции, большая часть его выносится в Невскую губу, а формирование устьевого бара практически не происходит. В малых водотоках невской дельты в приустьевых частях, где скорости течения крайне незначительны, происходит осаждение большей части взвешенного материала и возникают аномально высокие концентрации тяжелых металлов в донных отложениях и придонных водах. Основными металлами загрязнителями здесь являются Pb, Zn, Cd, Cr. Солевой барьер с очень незначительным градиентом минерализации располагается в центральной части Невской губы на расстоянии около 8-10 км от устья. Здесь в результате подтока органики вместе с морским глубинными водами, поступающими по дну Морского канала, происходит коагуляция коллоидов, сопровождающаяся образованием флоккул гидроксидов Fe, Al, Мп с органическим веществом и сорбции ими других химических элементов. В связи с этим происходит обеднение воды растворенными формами элементов (Zn, Си, Cd, Pb и др.). Процессы флоккуляции приводят к укрупнению взвеси, ее осаждению и накоплению илистых осадков в седиментационном бассейне Невской губы. В районе Южных и Северных ворот происходит резкое увеличение скоростей течения, что обеспечивает транзит взвешенного и растворенного материала в открытую часть залива. Сюда же поступают и сточные воды из очистных сооружений Петродворца и Кронштадта. При постройке комплекса защитных сооружений (КЗС) и частичным замедлением водного потока из Невской губы перед дамбой происходит оседание части взвешенного материала и его аккумуляция у южного берега. Уменьшение скоростей течения и увеличение солености к западу от острова Котлин приводит к формированию новой барьерной зоны, где гидродинамический и солевой барьеры совмещены. В результате активного процесса органической коагуляции и осаждения взвешенного материала происходит накопление илистых осадков в седиментационном бассейне Шепелевского плеса. В придонных водах происходит существенное перераспределение микроэлементного состава, сопровождаемое общим снижением концентраций большинства тяжелых металлов. При этом в результате процессов коагуляции органо-минеральная взвесь, обогащенная Al, Mn, Fe и другими микроэлементами, также и нефтеорганика, накапливается в осадках седиментационного бассейна. По мере удаления от барьерной зоны в придонных водах начинают преобладать растворенные формы металлов, среди которых главную роль играет цинк.
Анализ данных экспедиционных исследований в барьерной зоне реки Невы
Следует также упомянуть ГИС IDRISI. В настоящее время это одна из наиболее распространенных средних ГИС, специально предназначенная для работы с растровыми данными, не требует больших ресурсов. Была разработана Clark University в США. IDRISI состоит из более 150 аналитических модулей (Eastman, 1995).
В последние два-три года произошел серьезный практический сдвиг в области создания систем поддержки принятия решений. Обычно этим термином обозначаются системы, специализированные на анализе данных в конкретной проблемной области, например, в экологии или экономике, и основанные на представлении результатов анализа в форме пригодной для принятия решения. Для этого могут использоваться такие программные продукты как: Oracle Express, Microsoft SQL Server 7.0 и другие, претендующие на лидерство в этой области. Все эти продукты основаны на использовании, так называемых, хранилищ данных (Data Warehouse) (Львов, 1997), (Дюк). Под этим термином понимается предметно-ориентированный, интегрированный, поддерживающий хронологию, неизменяемый набор данных, организованный для целей поддержки принятия решений.
Можно выделить две основные трудности при создании хранилищ данных, ориентированных на поддержку принятия решений. 1. Неопределенность задачи - какая именно информация может понадобиться для поддержки принятия решений в постоянно и быстро меняющимся мире, какие цели и задачи будут актуальными завтра и т.п. 2. Неоднородность информации - разные и зачастую плохо описанные форматы файлов данных, полученные на разных приборах и не стыкующиеся между собой результаты измерений и многое другое. Во многих случаях легче повторить дорогостоящий эксперимент, чем пытаться извлечь результаты из архивных данных предыдущего аналогичного эксперимента. Сформированное хранилище данных должно представлять собой неизменяемый набор данных, т.е. конечным пользователям данные будут доступны в режиме "только для чтения". Это простейший способ обеспечения целостности данных при одновременном обеспечении высокой скорости доступа к ним. При необходимости изменять данные пользователь может воспользоваться витриной данных (Data Mart). Это сравнительно небольшой набор данных, чаще всего являющийся выборкой из хранилища данных, свободно изменяемый и дополняемый пользователем. Обычно витрины данных используются для агрегирования данных из хранилища с тем, чтобы повысить скорость анализа данных.
Интеллектуальный анализ данных (data mining) обычно определяют (Дюк) как метод поддержки принятия решений, основанный на поиске и анализе зависимостей между данными. Иногда как синоним используется понятие обнаружение знаний в базах данных (knowledge discovery in databases). Следует отметить, что интеллектуальный анализ данных (ИАД) основывается на целом комплексе методов прикладной статистики, как традиционных, так и нетрадиционных. В традиционных методах, таких как регрессионный анализ, пользователь сам выдвигает гипотезы относительно зависимостей между данными. Это относится и к современным средствам установления зависимостей, таким как оперативная аналитическая обработка данных (Оп-Line Analytical Processing, OLAP), которые по существу являются развитием классических методов регрессионного анализа, дисперсионного анализа и т.п. Традиционные методы, основанные на использовании статистических моделей и априорных предположений о свойствах этих моделей, достаточно широко используются в ИАД, но существенно большие надежды в настоящее время возлагаются на нетрадиционные методы. Достаточно часто именно эту группу методов связывают с понятием интеллектуальный анализ данных. Основополагающая идея, лежащая в основе таких методов, состоит в установлении зависимостей между рядами данными без необходимости предварительного формулирования гипотезы о виде этой зависимости. При этом искомые зависимости далеко не всегда выражаются математическими уравнениями и в таких случаях точнее говорить о взаимосвязях между данными. Оперативная аналитическая обработка и анализ данных с помощью математического моделирования и географических информационных систем решают однотипные задачи агрегирования информации о состоянии окружающей среды. В основе этого подхода лежит поэтапное свертывание данных, основанное на очевидном соображении о том, что актуальность, возможность оперативного использования агрегированных данных значительно выше, чем первичных. Таким образом, из рассмотрения результатов исследований барьерных зон заливов Балтийского и Белого морей и самих методов исследования, можно сделать следующие выводы. 1. Дистанционные методы представляются наиболее эффективными для мониторинга процессов, происходящих в барьерных зонах, обеспечивая требуемое пространственное и временное разрешение. 2. Существующие дистанционные приборы (AVHRR, МСУ-Э и другие) позволяют наблюдать эффекты, связанные с барьерными зонами, однако для того, чтобы рекомендовать соответствующие величины в качестве дистанционных индикаторов, необходимо провести специальные подспутниковые эксперименты для оценки чувствительности и других характеристик индикаторов. 3. Комплексный характер предполагаемых исследований побуждает разработать информационную систему, ориентированную на первом этапе на интеграцию данных экологического мониторинга и на совместный анализ данных дистанционного зондирования и подспутниковых экспериментов, а в дальнейшем на поддержку принятия решения за счет выбора заранее просчитанных моделей для конкретных природных условий.
Исследование динамики аномалий температуры и других характеристик водной поверхности по данным дистанционного зондирования
Для решения задачи-оценки барьерных зон наибольший интерес представляет использование для изучения пространственных неоднородностей, полученных путем последовательных съемок зондируемой поверхности, выявляющих формирование и диссипацию термогидродинамических процессов и явлений на поверхности моря.
В настоящей работе решалась задача по выявлению различных типов нестационарных структур и вихревых образований, проявляющихся на поверхности Белого моря, на основе использования спутниковой информации.
В навигационный период наибольший интерес для изучения особенностей термогидродинамических процессов и полей представляют данные, полученные со спутника NOAA в тепловом диапазоне (каналы 4 и 5). Анализ ИК-изображений показал, что поле температуры поверхности Белого моря имеет существенную пространственную изменчивость и может значительным образом отличаться от климатического, что было продемонстрировано нами выше в настоящем разделе. Анализ спутниковых снимков позволил выявить наличие струйных течений, многочисленных вихревых образований циклонического и антициклонического характера, когерентных структур типа "грибовидных" образований, а также неоднородностей, связанных с генерацией экмановских прибрежных апвеллингов. Наиболее отчетливо на ИК снимках выделялся фронт в районе Горла, а также отдельные фронтальные образования в Двинском и Онежском заливах благодаря высоким контрастам (градиент достигал 2-3,5 град/км) между теплыми и более пресными водами бассейна. Так, период летней экспедиции 2001 года вдоль Зимнего берега около мыса Вепревский отмечается полоса относительно холодных вод с температурой воды на поверхности около 6-7С шириной 6-10 км. Причина образования этой холодной полосы связана с формированием здесь экмановского прибрежного апвеллинга. Кроме «горловского» фронта практически на всех снимках в летний период хорошо проявляется фронт Двинского залива, образованный теплыми водами залива и более холодными водами бассейна, который имеет протяжение от Летнего к Зимнему берегу на расстоянии около 50 км от устья р. Двина. Фронт испытывает динамическую неустойчивость, проявляющуюся в виде струй ("пальцев"), вторгающихся в воды бассейна, и в некоторых случаях взаимодействующих с фронтальной зоной пролива Горло. Линейные пространственные масштабы обнаруженных струй достигают нескольких десятков километров.
В районе восточной Соловецкой салмы на ИК-спутниковых снимках в летний период отмечается квазипостоянная зона с пониженной температурой воды (6-9С), которая связана с интенсивным фронтальным апвеллингом. Вихревые образования были обнаружены в районе бассейна Белого моря в его открытой части с удалением на 10-20 км от Кольского берега. При этом струйные течения и грибовидные образования были приурочены к фронтальным зонам. Механизмом формирования таких структур может быть замедление струйного течения, возникающего первоначально под влиянием достаточно мощного локального импульса. Такой импульс может создаваться различными факторами: в открытом море - ветровым потоком, разностью уровня (и давления), неустойчивостью фронтов и течений, в прибрежных районах - стоками рек в сочетании с ветром, влиянием орографии и общим направлением прибрежной циркуляции или водообменом через проливы, связанными с приливными и нагонными явлениями. Вероятным механизмом возникновения грибовидных образований в Двинском и Онежском заливах они могут возникать из-за неустойчивости фронта, вызванного вторжением более холодных вод из района восточной Соловецкой салмы и связанная с воздействием приливно-отливных течений.
На основе анализа последовательности спутниковых ИК-снимков, охватывающих интервал в несколько суток, выявлена существенная пространственная и временная изменчивость полей на всей акватории Белого моря. Наибольшая изменчивость наблюдалась в районах фронтальных зон Онежского залива, крупных заливах, что подтверждается результатами, полученными и ранее (Filatov, Shilov, 1996).
Показано, что мгновенное поле температуры поверхности Белого моря может существенным образом отличаться от его климатической картины, благодаря значительной изменчивости во времени. Очевидна необходимость комплексирования наблюдений со спутников в ИК- и видимом диапазонах с радиолокационными SAR, а также инструментальными измерениями для исследования механизмов формирования и эволюции вихревых образований, различных когерентных структур, существенным образом влияющих на режим вод Белого моря. По результатам обработки и анализа космических снимков температуры поверхности воды, полученных за период 10-14 июля 2001 г., можно судить о формировании фронтальной зоны, расположенной к северу, западу и востоку от Соловецких островов. При этом температура на поверхности воды в Бассейне Белого моря значительно выше, чем в проливах и центральной части Онежского залива. Для изучения пространственных особенностей хлорофилла-а оценки продуктивности моря важным представляется совместный анализ комплексных наблюдений с НИС, а также спутников данных (SeaWifs, AVHRR).
Обоснование системы дистанционных индикаторов для зон барьерных эффектов эстуариев рек
В процессе смешения речной и морской воды соленость возрастает неравномерно. Зона смешения пресных сточных и соленых морских вод является активным барьером для элементов с переменной валентностью. На дно осаждается максимальное количество взвеси с сорбированными на ней минеральными компонентами. На отдельных участках зон смешения содержание взвеси оказывается выше, чем в реке и в прилежащем море и возникает т.н. «иловая пробка». Как показано в указанной выше работе, «под воздействием электролита морской воды здесь происходит коагуляция тонкой взвеси - ее минеральной и органической частей. Возникают хлопья-флоккулы «эстуарного снега» часто тройного состава: глинистые частицы, склеенные органическим веществом и оксигидратами железа. Они захватывают из растворенных форм тяжелые металлы, загрязнения, а также биогенные элементы». В результате, прозрачность вод и мощность слоя фотосинтеза растет по мере удаления в море. Возникает зона наибольших продукций фитопланктона, «биологическая пробка», которая располагается на внешней стороне от «иловой пробки». В этой зоне несколько удаленной от реки растворенные формы элементов и газы (углекислота) превращаются во взвесь - органическое вещество фитопланктона и первичная продукция намного выше, чем в реке. В этом месте растворенные формы элементов (в том числе и загрязнений) переводятся через взвесь в донные осадки.
Таким образом, комплексный анализ данных показал, что параметры, которые можно измерить приборами SeaWiFS и AVHRR могут быть применены для выявления особенностей распространения и трансформации загрязнений и определения границ барьерных зон.
Далее рассмотрим особенности распределения тех же характеристик, по измерениям со спутников и по результатам подспутниковых измерений в Невской губе Финского залива.
Концентрация хлорофилла "а" в пределах Финского залива уменьшается с удалением от устья р.Невы от 20 до 6 мкг/л в (см. рис. 2.1.4, табл.2.1.1). Причем особенности этого распределения зависят от рельефа дна Невского эстуария, который состоит из двух частей: Невской губы и внешнего эстуария, простирающегося от острова Котлин до линии между мысами Стирсудден и Шепелев. Из-за особенностей термогидродинамических процессов и полей в этом районе происходит осаждение большей части твердого стока р. Невы и трансформация значительной части природного стока, поступающих в районе Южных и Северных ворот. Здесь по данным измерений отмечается резкое увеличение скоростей течения, что обеспечивает транзит взвешенного и растворенного материала в открытую часть залива. Сюда же поступают и сточные воды из очистных сооружений г.г. Петродворец и Кронштадт. Уменьшение скоростей течения, увеличение солености, комплекс происходящих здесь химико-биологических процессов формирует к западу от острова Котлин барьерную зону. К западу от барьерной зоны водный бассейн приобретает морские черты, проявляется четкая стратификация водной толщи. В седиментационном бассейне Шепелевского плеса в результате активного процесса органической коагуляции и осаждения взвешенного материала происходит накопление илистых осадков. Анализ проб воды Финского залива показал, что органические вещества, имеющие, в основном, природное происхождение присутствуют в воде в количествах, не превышающих уровень естественного фона, а распределение их концентраций по акватории залива носит неравномерный характер.
В Невской губе Финского залива донные осадки характеризуются высоким содержанием тяжелых металлов, нефтепродуктов, органических веществ и других компонентов, концентрации которых определяются как природными факторами, так и мощность техногенной нагрузкой Санкт-Петербургского территориально-промышленного комплекса. Здесь происходит аккумуляция значительной части веществ, поступающих с невским стоком и с выпусков городских очистных сооружений. Часть взвешенного материала оседает на первом гидродинамическом барьере на авандельте р.Невы и в подводных карьерах, а также в невском седиментационном бассейне (Отчет НИЦЭБ РАН, 2001) . Основная часть взвешенных наносов выносится из Невской губы и накапливается в седиментационном бассейне Шепелевского плеса (см. Рис.2.1.1). В районе впадения реки в море формируется гетерогенная зона барьеров, генетически связанных между собой или функционирующих самостоятельно. В разных эстуарных зонах интенсивность седиментации определяется контрастом между макросоставом речных и морских вод, в частности по содержанию гуминовых веществ, марганца, общего железа и кальция. Из-за высокого содержания в речных водах мощнейшего коагулянта -кальций-иона - барьерные зоны в Лужской и Копорской губе практически лишены солевых аккумуляций в донных осадках, в то время как в эстуариях рек, впадающих в залив вдоль северного его побережья, активно отладываются металл-органические иловые осадки. А Невский эстуарий аккумулирует большую часть как природных компонентов, поступающих в него с твердым и растворенным стоком, так и собственно загрязняющих веществ Санкт-Петербурга. Основное влияние на перераспределение и накопление элементов в зоне "река-море" оказывают гидродинамический и солевой барьеры, а также " биохимический фильтр" и связанное с ним массовое развитие специфических видов фитопланктона, извлечение им из воды макро- и микроэлементов. В условиях Финского залива этот процесс активно протекает уже при солености около 5 /00 и более и играет основную роль в удалении многих экотоксикантов при эстуарном смешении вод. Данная граница солености в Финском заливе расположена после острова Котлин, и выступает индикатором барьерной зоны.
Известно, что Восточная часть Финского залива подвержена эвтрофированию (работы НИЦЭБ, ЗИН и ИНОЗ РАН), в этом случае индикаторами состояния могут быть параметры, характеризующие эвтрофикацию. Такими параметрами являются биогенные элементы, концентрация хлорофилла, РОВ, БПК, и минеральная взвесь и др. Таким образом, по результатам проведенного совместного анализа данных дистанционного зондирования, результатов математического моделирования и экспедиционных исследований восточной части Финского залива и заливов Белого моря можно сделать вывод о том, что в качестве дистанционных индикаторов, позволяющих осуществлять контроль барьерных зон можно использовать следующие величины: - температуру на поверхности моря по данным прибора AVHRR, - альбедо поверхности моря по данным приборов с высоким пространственным разрешением (МСУ-Э и др.), - концентрацию хлорофилла-а, растворенного органического вещества (РОВ) и минеральной взвеси (MB) на поверхности моря по данным прибора SeaWiFS.
