Введение к работе
Актуальность исследования. В настоящее время в мире происходит бурное развитие средств измерений, позволяющих глубже заглянуть в суть процессов в Мировом океане. Число новых методик и приборов для натурных исследований увеличивается от десятилетия к десятилетию.
Флуоресцентные лидары пока не получили широкого распространения в практике научных исследований водных объектов, в первую очередь, по причине высокой стоимости и громоздкости оборудования. В мире существует несколько научных групп, использующие флуоресцентные лидары при научных исследованиях морей (см., например, (Fiorani et al., 2006; Rogers et al., 2012; Li et al., 2014; Babichenko et al., 2016) и другие). Лидары серии УФЛ, разработанные при участии автора, являются на настоящий момент самыми малогабаритными в мире, а также позволяют измерять концентрацию взвеси наряду с хлорофиллом «а» и окрашенным органическим веществом (ООВ). Наряду с использованием в океанологических морских экспедициях, указанные технические характеристики позволили впервые применить флуоресцентный лидар с борта маломерного катера и даже надувной лодки. Дальнейшее развитие данного направления представляет собой перспективную и актуальную задачу.
Традиционным методом измерения таких параметров вод приповерхностного слоя, как концентрации взвеси, ООВ и хлорофилла «а», является отбор проб с последующим химическим анализом в лаборатории. Эти методы при соблюдении методик анализов обеспечивают высокую точность результата, однако они очень трудоемки и не могут обеспечить необходимого во многих случаях пространственного и временного разрешения. Поэтому для решения многих задач, например, картирования речных плюмов или гидрологических структур на шельфе, обнаружения на ранней стадии загрязнений и многих других, целесообразно использовать пусть иногда менее
точные, но зато более экспрессные и менее затратные методы анализа, предварительно калиброванные с помощью упомянутых прямых методов.
Важным и не полностью исследованным вопросом в океанологии является описание и анализ природы разномасштабной пространственной изменчивости концентраций тех биооптических параметров, которые доступны для измерения флуоресцентным лидаром. Во многих работах исследовалась мезомасштабная и более крупномасштабная изменчивость полей концентрации фитопланктона, гораздо реже также взвеси и органических веществ. Однако исследования этой изменчивости в субмезомасштабе (1–10 км) встречаются реже, и совсем небольшое число работ посвящены мелкому масштабу (от первых метров до порядка 1 км). Единого описания мелкомасштабной изменчивости в настоящее время не существует (Martin, 2003). В связи с этим возможности лидара по одновременному измерению полей хлорофилла, взвеси и ООВ с очень высоким разрешением, определяемым частотой зондирования до 2 Гц, весьма актуальны, а собранные массивы данных представляют интерес для анализа.
Цель работы: разработать методику и аппаратные средства флуоресцентного дистанционного лидарного зондирования применительно к океанологическим задачам, в том числе задачам оперативной океанологии, для высокоразрешающего картирования in situ полей концентраций хлорофилла «а», органического вещества и взвеси, а также исследовать особенности пространственной гетерогенности данных параметров для акваторий различного типа. Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:
-
Разработка новых приборных и методических решений для реализации флуоресцентного судового лидара в компактном варианте, обеспечивающем возможность применения с борта любых плавсредств.
-
Верификация лидарных данных на основе собранной и систематизированной базы данных лидарных измерений и сопутствующих контрольных измерений хлорофилла «а», окрашенного органического
вещества и взвеси на пробах воды из поверхностного слоя морей и внутренних водоемов.
-
Картирование пространственных распределений параметров водной среды в различных акваториях с целью изучения их гидродинамических, гидробиологических и гидрооптических свойств, в том числе для исследования речных плюмов, антропогенных загрязнений, цветения водорослей и других явлений.
-
Исследование особенностей мелкомасштабной пространственной изменчивости биооптических параметров для вод различных акваторий, выявление их связи с условиями атмосферного и гидродинамического форсинга. Научную новизну исследования составляют основные положения,
выносимые на защиту:
Созданы новые средства дистанционного зондирования – лидары серии УФЛ, обеспечивающие измерение концентраций окрашенного органического вещества, хлорофилла «а» и минеральной взвеси с высоким пространственным разрешением, в автоматическом режиме с геопривязкой измерений, в верхнем квазиоднородном слое акваторий разного типа при практически любых условиях погоды и солнечной засветки.
Установлено, что интенсивности флуоресцентных эхо-сигналов в дискретных спектральных интервалах, а также сигнала упругого рассеяния лазерного излучения, нормированные на сигнал комбинационного рассеяния воды, позволяют оценить концентрации ООВ, хлорофилла «а» и минеральной взвеси в водах разного типа и в широком диапазоне значений. При условии тщательной калибровки лидара на основе данных контактных измерений концентраций, погрешности лидарных измерений не превышают 10–16 %.
Определены распределения масштабов пятнистости следующих параметров морской воды: концентраций хлорофилла «а», ООВ и взвеси на примере Карского моря. Для них в поверхностном слое моря характерна
пятнистость в широком интервале пространственных масштабов от ~10 м до ~10 км и более. Максимум частотного распределения масштабов находится в диапазоне 0–100 м, средняя величина пятен (“патчей”) лежит в диапазоне 0–150 м. Масштабы пятнистости, как правило, увеличиваются в направлении от прибрежной зоны к открытой части акватории, при удалении от речных устьев и других источников мезомасштабных возмущений.
Установлено, что, как правило, размеры пятен взвеси являются наибольшими, масштабы пятен ООВ – меньшими, а масштабы пятен хлорофилла – наименьшими. Существует также зависимость масштаба пятен от ветра – при слабом ветре масштабы пятен относительно большие, при усилении ветра крупные пятна фрагментируются и масштабы их уменьшаются, при дальнейшем усилении ветра размеры пятен вновь укрупняются, вплоть до теоретической гомогенизации верхнего квазиоднородного слоя (ВКС).
Достоверность научных результатов обеспечивается:
а) систематической верификацией лидарных измерений биооптических полей по данным прямых контрольных аналитических определений концентраций хлорофилла «а», ООВ и взвеси; б) охватом исследованиями акваторий разных типов – ультрагалинных, соленых, солоноватых и пресных, вод открытых морей и прибрежных, богатых терригенными примесями; в) обработкой контрольных проб воды из ВКС на высокоточном оборудовании в сертифицированных лабораториях в разных странах; г) совместимостью полученных новых данных о мелкомасштабной пространственной изменчивости с работами других исследователей и соответствием их современным представлениям о пятнистости приповерхностного слоя моря.
Научное и практическое значение исследования заключается в получении новых результатов и улучшении понимания процессов, связанных с формированием тонкой структуры пространственного распределения параметров качества воды в различных природных акваториях, находящихся под влиянием разных внешних факторов. Разработанные приборы и методика
представляют практический интерес для использования в широком спектре научно-исследовательских и прикладных, в том числе природоохранных, задач по мониторингу водных бассейнов.
Личный вклад автора заключается в том, что он:
изучил опыт разработчиков и пользователей аппаратуры флуоресцентного зондирования природных вод, принимал активное участие в разработке концепции и конструировании новой линейки портативных флуоресцентных лидаров судового базирования УФЛ-7, УФЛ-8, УФЛ-9;
принимал участие в разработке общей методики лидарного зондирования водной среды лидарами серии УФЛ, внедрил ряд собственных инновационных методических и приборных решений, которые частично обусловили высокие эксплуатационные характеристики созданных лидаров;
участвовал с лидарами УФЛ в более чем 30-ти научных экспедициях в Атлантическом океане, в Черном, Карском, Аральском, Каспийском, Балтийском, Южно-Китайском морях, на озерах Балатон и Иссык-Куль, на ряде водохранилищ и других акваториях, несколько экспедиций организовал лично;
применил современные методы спектрального анализа оптических сигналов, частотного анализа аналоговых электрических сигналов и статистического анализа полученных массивов данных;
разработал метод оценки пространственной неоднородности ВКС на основе критерия пятнистости, выполнил обработку и анализ экспериментальных данных по нескольким акваториям;
обеспечил подготовку полученных результатов к опубликованию в ведущих российских и международных журналах, а также представлял их на российских и международных конференциях и семинарах.
Апробация диссертационной работы. Основные результаты настоящей диссертации были представлены на заседаниях Ученого совета Физического направления ИО РАН (2006, 2008, 2014, 2016 гг.), также докладывались на ежегодных ассамблеях Европейского геофизического общества (2007, 2008,
2009, 2010, 2015, 2016 гг.), на рабочих семинарах по оптике моря, проводимых Институтом океанологии Польской академии наук (2001, 2003, 2005, 2007 гг.), на международных конференциях Европейской ассоциации лабораторий дистанционного зондирования EARSeL (2003, 2015 гг.), на международных конференциях «Современные проблемы оптики естественных вод» в С.Петербурге (2001, 2003, 2015 гг.) и на других конференциях и семинарах.
Публикации по теме диссертации. По теме диссертации опубликовано 48 работ, в том числе 7 статей в ведущих российских рецензируемых изданиях из списка, рекомендованного ВАК, 2 статьи в ведущих международных рецензируемых изданиях из списка, рекомендованного ВАК, 7 статей в других периодических изданиях и сборниках, 31 тезисов докладов на международных и российских научных конференциях, а также 1 патент РФ на изобретение.
Благодарности. Разработка и изготовление новых малогабаритных флуоресцентных лидаров серии УФЛ проводилась под руководством доктора физико-математических наук, профессора Вадима Николаевича Пелевина. Данная работа не была бы реализована без его обширного исследовательского и технического опыта в гидрооптике и проницательной научной интуиции.
Автор выражает глубокую признательность своему научному руководителю, доктору географических наук, профессору РАН, члену-корреспонденту РАН Петру Олеговичу Завьялову за всестороннюю поддержку в эксплуатации лидаров УФЛ и руководство научной деятельностью.
Успешность разработки новой лидарной техники в значительной степени определена высоким профессионализмом коллег из ФГУП ВЭИ: О.И. Абрамова, к.т.н. Г.Г. Карлсена, В.А. Петрова и других, а также коллег из НИИ «Полюс»: к.т.н. А.И. Ляшенко и М.В. Алампиева. Лидар УФЛ-8 был создан при финансовой поддержке, осуществленной из проекта «Меридиан» д.г.н. А.В. Соковым. Автор выражает им искреннюю признательность.
Автор благодарит своих коллег, в особенности к.б.н. Б.В. Коновалова и А.Б. Грабовского за всестороннюю поддержку, а также всех принимавших
участие в работах с лидаром и проводивших анализ контрольных проб. Автор выражает признательность к.ф.-м.н. А.И. Гинзбург за помощь при подготовке диссертационной работы. Автор также искренне благодарит свою семью за неоценимую поддержку при выполнении работы.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников. Полный объем диссертации – 159 страниц, включая 70 рисунков и 10 таблиц. Библиографический список включает в себя 211 наименований, в том числе 127 на иностранных языках.