Введение к работе
з .
Актуальность работы. В настоящее время наиболее остро стоит
проблема изучения воздействия климатических изменений, наблюдающихся
на планете, на морские экосистемы. Базисом всех морских экосистем
являются фитопланктонные сообщества и любые изменения в их темпах
развития влияют на процессы жизнедеятельности морских экосистем в
целом. Важность решения этой проблемы состоит в том, что фитопланктон
играет ключевую роль в создании условий жизни на планете, в насыщении
атмосферы кислородом, поглощении углекислого газа и производстве
органического вещества в океане. Климатические изменения, как и процессы
более мелких (синоптических) масштабов, воздействуют на
функционирование фитопланктонных сообществ и на состояние фотосинтезирующей системы клеток фитопланктона Для исследования результатов этих воздействий необходимы как технические средства исследований самих процессов, протекающих в атмосфере и океане, так и методы, позволяющие определять состояние фотосинтезирующей системы клеток фитопланктона.
Пассивные и активные оптические методы исследований обеспечивают возможность оперативного измерения характеристик клеток фитопланктона на молекулярном уровне и микрофизические характеристики среды в синоптических и климатических масштабах.
Пассивные методы измерения более разработаны к настоящему времени и реализованы уже в спутниковой аппаратуре. В течении более чем двадцати лет проводится измерение концентрации хлорофилла «А» в верхнем слое океана с использованием сканеров цвета морской поверхности CZCS, SeaWiFS и MODIS. Эти данные позволяют приступать к исследованиям воздействия климатических изменений на фитопланктонные сообщества Однако, несмотря на высокий технический уровень пассивных методов проведение надежных измерений, в настоящее время, возможно только для концентрации основного пигмента клеток фитопланктона — хлорофилла «А»
Активные методы, используюпще лазерную спектроскопию, являются более информативными и позволяют проводить измерение значительно большего числа параметров: характеристики самих процессов, воздействующих на фитопланктонные сообщества, и параметры, характеризующие состояние клеток (таких как скорость электронного транспорта, концентрацию химических элементов клеток, удельное воспроизводство органического вещества и т д.). Разработка и использование этих методов сдерживается отсутствием надежных технических средств активного зондирования, которые позволяют осуществлять оперативное измерение этих параметров В связи с вышесказанным, разработка новых методов активного оптического зондирования и лазерных измерительных систем, предназначенных для мониторинга процессов, воздействующих на фитопланктонные сообщества, а так же для измерения величин, характеризующих состояние клеток фитопланктона, являются актуальным.
Целью работы является разработка новых лазерных методов исследования окружающей среды и измерительных технических средств для оперативного определения основных параметров, характеризующих состояние фитопланктонных сообществ и процессов воздействующих на них.
В работе были поставлены следующие задачи:
1. Создать технические средства и методы для измерений биооптических параметров морской воды с использованием лазерной индуцированной флуориметрии (ЛИФ), которые обеспечивают оперативные, непрерывные измерения в течение длительного времени в натурных условиях при работе на неспециализированных судах, следующих параметров-
- абсолютных значений концентрации хлорофилла «А» клеток
фитопланктона;
- относительных концентраций дополнительных пигментов, входящих в
состав клеток фитопланктона;
- относительных величин удельного воспроизводства растворенного
органического вещества (РОВ) клетками фитопланктона.
2 Разработать методику и лазерный искровой спектрометр (ЛИС) для
оперативных измерений концентрации основных химических элементов,
входящих в состав клеток фитопланктона и морской воды.
Разработать быстродействующую систему регистрации судового лидарного комплекса для измерения распределения коэффициента ослабления лазерного излучения по глубине с разрешением порядка 1 метра, которое позволяет восстановить структуру светорассеивающих слоев, обусловленную стратификацией температуры и модуляцией гидрофизическими процессами, протекающими в верхнем слое океана
Разработать быстродействующую систему регистрации слабых световых потоков для атмосферного лидара, обеспечивающую регистрацию сигнала обратного аэрозольного рассеяния до высот 80 км с пространственным разрешением не хуже 100 м, что необходимо для исследования структуры и динамики аэрозольных слоев в атмосфере.
Научная новизна.
Результаты работы создают методическую и приборную базу, которая значительно расширяет возможности лазерных методов при проведении фундаментальных исследований в области мониторинга фитопланктонных сообществ и исследовании результатов воздействия различных процессов на их состояние:
1. Впервые показана возможность определения относительных величин
удельного воспроизводства РОВ клетками фитопланктона, с использованием
функциональных соотношений между биооптическими компонентами ЛИФ
спектра
2. Разработана методика измерения концентрации основных
химических элементов, входящих в состав морской воды и клетки
фитопланктона с использованием метода лазерной искровой спектроскопии.
3 Показана возможность определения факторов накопления
элементов - загрязнителей морской воды клетками фитопланктона с
использованием лазерной искровой спектроскопии
4. Предложена методика построения быстродействующих
гидролидарных систем регистрации сигнала обратного рассеяния, которая позволяет восстановить глубинный профиль коэффициента ослабления лазерного излучения с пространственным разрешением порядка 1 метра
Практическое значение работы.
Созданы малогабаритные судовые прокачиваемые лазерные флуориметры, которые осуществляют оперативное измерение спектров ЛИФ морской воды с высоким пространственным и спектральным разрешением. Они обеспечивают возможность длительной непрерывной работы в натурных условиях на судах, не приспособленных для проведения научных измерений. Оперативные измерения концентрации хлорофилла «А», выполняемые по ходу судна позволяют определять биопродуктивность морских вод, проводить сравнительный анализ с данными оптических сканеров цвета морской поверхности, установленных на спутниках, и разрабатывать надежные региональные алгоритмы восстановления концентрации хлорофилла «А» из спутниковых данных. Такой сравнительный анализ делает результаты спутникового зондирования более достоверными на тех акваториях, где не корректно использовать глобальные алгоритмы восстановления концентрации хлорофилла «А» по цвету морской поверхности. Разработанная методика определения относительных величин удельного воспроизводства РОВ клетками фитопланктона, дает возможность исследовать процессы его воспроизводства и проводить классификацию фитопланктонных сообществ по этому параметру.
Результаты, полученные при разработке метода и аппаратуры ЛИС, позволяют изучать воздействие загрязнения водных акваторий на биологические объекты, оценивать факторы накопления элементов -загрязнителей клетками фитопланктона. При исследовании биологических объектов важна оперативность метода Отсутствие необходимости длительной подготовки проб к анализу, дает возможность проводить измерения элементного состава морской воды т situ, а для клеток фитопланктона необходимо только их осаждение на фильтр.
Созданные быстродействующие системы регистрации световых потоков, включая слабые световые сигналы, значительно расширяют возможности лидарных систем при их использовании для исследования океана и атмосферы
В работу включены результаты, которые были получены при выполнении следующих проектов и грантов
ФЦП «Мировой океан» проект 4 5.1. "Развитие дистанционных методов и эффективное использование космической информации для изучения состояния дальневосточных морей и шельфовых зон Тихого океана";
«Дальневосточный плавучий университет» ФЦП «Интеграция» проект № 746, проект № СО 148 и проект №Э0013,
грант РФФИ № 96-02-19172-а " Экспериментальные исследования механизма лазерного диэлектрического пробоя в жидкости";
грант РФФИ № 97-05-65821-а "Экспериментальные исследования влияния пространственно-временного распределения светорассеивающих слоев в океане и состояния морской поверхности на спектральные характеристики восходящего излучения моря";
грант РФФИ - ДВО РАН 06-05-96105-р_восток_а «Исследование пространственно временной изменчивости воспроизводства растворенного органического вещества клетками фитопланктона»;
грант ДВО РАН 06-І-П16-060 «Структура и динамика радиационно активных компонентов атмосферы в переходной зоне материк-океан и их влияние на состояние фитопланктонных сообществ»,
- грант ДВО РАН 06-II-CO-07-028 «Особенности формирования
континентального тропосферного аэрозоля в Сибири, полей озона и аэрозоля
над акваториями Дальневосточных морей».
Реализация результатов работы.
Лазерный искровой спектрометр (ЛИС) для определения элементного состава конденсированных сред внедрен во Всероссийском научно -исследовательском институте физико — технических измерений («Дальстандарт» г. Хабаровск);
Регистратор лидарного сигнала — счетчик однофотонных импульсов внедрен в Институте Космофизических исследований и распространения радиоволн (ИКИР ДВО РАН г. Петропавловск на Камчатке);
Проточный судовой спектрометр лазерной индуцированной флуоресценции (ЛИФ) внедрен в Морском государственном университете им. адм. Г.И. Невельского г Владивосток.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Многоимпульсное возбуждение лазерной плазмы оптического пробоя на поверхности исследуемых жидкостей позволяет увеличить контраст эмиссионных линий элементов, ігоисутствующих в лазерной плазме по сравнению с прямым методом лазерной кскровой спектроскопии как минимум в 3 раза
2 Использование в лазерном искровом спектрометре методов
многоимпульсного возбуждения лазерной плазмы и пространственной
селекции спектральных линий, исследуемых элементов, позволяет получить
значения МОК для основных элементов морской воды и фитопланктона на
уровне 10"3 - 10"* г/л при импульсной лазерной мощности 60 МВт на длине
волны возбуждающего излучения 1.064 мкм.
3 Наличие линейной зависимости между компонентами спектра ЛИФ,
которые определяются содержанием хлорофилла «А» и растворенного
органического вещества, позволяет измерять относительную величину
удельного воспроизводства РОВ клетками фитопланктона.
4. Метод и аппаратурные комплексы, позволяющие проводить
оперативные измерения ЛИФ спектров морской воды и восстанавливать
концентрации хлорофилла «А» с МОК на уровне 0,1 мкг/л.
5. Метод и система регистрации сигнала обратного рассеяния лазерного
излучения с использованием двух каналов регистрации и параллельным
подключением четырех быстрых аналого-цифровых преобразователей с
частотой дискретизации 50 МГц в каждом канале, которая обеспечивает
восстановление профиля коэффициента ослабления лазерного излучения с
пространственным разрешением порядка 1 метра до глубин 50 метров.
6. Автоматизированная четырехканальная система счета однофотонных импульсов, предназначенная для измерений слабых световых сигналов при минимальной длительности входных импульсов 5 не, с минимальным временем разрешения двух импульсов 10 не.
Публикации.
