Введение к работе
ч Актуальность работы. В настоящее время детального рассмотрения требует проблема изучения воздействия климатических изменений, наблюдающихся на планете, на морские экосистемы. Атмосферный аэрозоль является радиационно-активной компонентой атмосферы и существенным образом влияет на радиационный баланс в атмосфере. Однако, наряду с этим, аэрозоль влияет активно на фитопланктонные сообщества, путём выноса минеральных веществ в верхний фотический слой океана и воздействия на фотосинтетическую активность клеток фитопланктона. Кроме того, попадающие в фотический слой, взвешенные частицы могут значительно изменить биооптические параметры морской воды.
Исследования воздействия атмосферных аэрозолей на состояние фитопланктонных сообществ оптическими методами, возможно проводить посредством изучения динамики микрофизических параметров аэрозоля методами лидарного зондирования, совместно с исследованиями биооптических параметров морской воды методами лазерной индуцированной флуоресценции (ЛИФ). Подобные исследования необходимо осуществлять с применением аппаратурных комплексов, обеспечивающих высокое пространственно-временное и спектральное разрешение при регистрации слабых световых потоков. Поэтому, актуальной является разработка лидарной регистрирующей аппаратуры, обеспечивающей режим счёта фотонов с раздельной регистрацией одноэлектронных импульсов, следующих с временными интервалами порядка 10нс, а так же спектральной системы с одновременной регистрацией спектров лазерной индуцированной флуоресценции в широком диапазоне длин волн.
Целью настоящей работы является применение оперативных оптических методов и разработка аппаратурного комплекса для исследования воздействия атмосферного континентального аэрозоля на биооптические параметры морской воды.
В работе были поставлены следующие задачи:
1. Усовершенствовать метод, позволяющий проводить одновременные измерения оптической толщины атмосферного аэрозоля над морскими акваториями и биооптических параметров морской воды в фотическом слое океана.
Провести исследования и разработать приборный комплекс регистрации слабых световых потоков обратно рассеянного от атмосферных аэрозолей излучения в режиме счета фотонов, при лазерном зондировании тропо- и стратосферы.
Провести исследования и разработать лазерный флуориметр, предназначенный для оперативного измерения концентрации хлорофилла «А» и спектров флуоресценции растворённого в морской воде органического вещества.
Провести экспериментальные исследования влияния атмосферного аэрозоля на биооптические параметры морской воды.
Научная новизна работы.
Впервые лазерная индуцированная флуориметрия и лидарное зондирование атмосферного аэрозоля одновременно использованы для получения данных о воздействии континентального атмосферного аэрозоля на биооптические параметры морской воды.
Впервые разработан счетчик одноэлектронных импульсов, использующий метод "двойного счетчика", который позволил регистрировать сигнал обратного рассеяния по всей трассе зондирования непрерывно, без прекращения регистрации в моменты переключения счётчиков.
3. Создан малогабаритный прокачиваемый лазерный флуориметр,
позволяющий проводить оперативные измерения спектров лазерной
индуцированной флуоресценции морской воды и концентрации хлорофилла
"А". Новизна флуориметра состоит в использовании электронно-
оптического преобразователя в качестве усилителя яркости спектра,
полученного при помощи полихроматора, причем регистрация производится
во всем исследуемом спектральном интервале при помощи цифровой ПЗС
камеры.
Практическая значимость работы.
1. Создана действующая модель счётчика одноэлектронных импульсов, позволяющего регистрировать обратно рассеянное излучение от высот 200м до 40000м с минимальным пространственным разрешением 120м. При помощи этого счетчика произведена регистрация распределения аэрозольных слоев, проходящей над Владивостоком в 2006 году пылевой бури, зародившейся в пустьше Гоби. В период с 2003 г. по 2006 г, при помощи разработанного счетчика одноэлектронных импульсов, произведена
регистрация распределения аэрозольных слоев по высоте до высот 40км в
нескольких морских экспедициях. \
Создан компактный судовой флуориметр, позволяющий проводить непрерывную регистрацию спектров ЛИФ в диапазоне 540-800нм, с пространственным разрешением в 50 метров. Использование компактного судового флуориметра в ходе морских экспедиций в период с 2006г. по 2007г. позволило осуществить исследование пространственно-временных распределений полей биооптических параметров в ряде биопродуктивных районов Охотского и Японского морей.
Предложенная методика совместных измерений и аппаратурные комплексы использованы при изучении воздействия атмосферных процессов на морские экосистемы. При помощи разработанных аппаратурных комплексов, была произведена параллельная регистрация биооптических параметров и аэрозольных оптических толщин в двух регионах Японского моря во время прохождения пылевой бури из пустыни Гоби в 2006году.
Основные защищаемые положения.
Лидарные измерения оптической толщины тропосферного аэрозоля над морской акваторией, проводимые совместно с лазерной флуориметрией морской воды позволяют регистрировать изменения в биооптических параметрах морской воды, вызванных воздействием атмосферного континентального аэрозоля.
Изменение биооптических параметров морской воды происходит через 40-80 часов после регистрируемых изменений высотного профиля коэффициента аэрозольного обратного рассеяния.
Использование метода "двойного счетчика" и деление трассы зондирования на временные интервалы позволяет реализовать счет одноэлектронных импульсов непрерывно по всей трассе зондирования с минимальным пространственным разрешением в 120 метров в диапазоне высот от 200м до 40000м.
Одновременная регистрация спектра ЛИФ в исследуемом интервале длин волн от 540 нм до 800 нм при возбуждении лазерным излучением с длиной волны 532нм, позволяет изучать динамику биооптических параметров с пространственным разрешением 50м и корректно устанавливать связь между биооптическими параметрами спектра ЛИФ органического вещества в морской воде.
Аппробация работы.
Результаты исследований по теме диссертационной работы были представлены на четырех конференциях в г. Томске и г. Владивостоке.
Личный вклад соискателя
Автор проводил исследования возможностей регистрации слабых световых сигналов и разработку на этой основе соответствующих приборов, а именно: компактного лазерного флуориметра на базе полихроматора, многоканального счетчика одноэлектронных импульсов. Проводил экспериментальные и теоретические исследования возможностей разработанных приборов. Осуществлял изготовление макетов разработанного оборудования и проводил их тестирование. Занимался разработкой малогабаритного судового и стационарного стратосферного лидара.
Структура и объем диссертации
