Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Пассивные методы зондирования биооптических характеристик верхнего слоя океана . 13
1.1 Общие принципы пассивного оптического зондирования верхнего слоя океана. 13
1.2 Факторы, влияющие на оптические свойства морской воды. 22
1.2.1 Поглощение клетками фитопланктона. 25
1.2.2 Поглощение желтым веществом и детритами. 35
1.2.3 Рассеяние оптически эффективными компонентами морской воды. 40
1.3 Связь вторичных и первичных гидрооптических характеристик. Коэффициент яркости моря . 45
1.4 Биооптические алгоритмы. 51
1.5 Анализ ошибок биооптических алгоритмов. 62
1.6 Методика судового дистанционного пассивного зондирования. 67
Глава II. Активное, лазерное зондирование пространственной и временной изменчивости биооптических характеристик ВСО . 77
2.1 Океанологические лидары. 77
2.2 Лидарные методы определения первичных гидрооптических характеристик. 82
2.3 Лидары упругого рассеяния для исследования горизонтальной изменчивости первичных гидрооптических характеристик . 92
2.4 Исследование гидродинамических процессов методом лидарного зондирования ВСО. 97
Глава III. Экспериментальные установки для активного и пассивного зондирования биооптических характеристик ВСО . 131
3.1 Проточный лазерный флуориметр для измерения спектров лазерной индуцированной флуоресценции. 131
3.2 Судовые гидролидарные комплексы для зондирования ВСО. 142
3.2.1 Лазер для океанологического лидара. 143
3.2.2 Блок питания твердотельного лазера и оптического усилителя 147
3.2.3 Лидары для зондирования ВСО через открытую морскую поверхность и оптическую шахту . 149
3.2.4 Электронные системы обработки сигнала обратного рассеяния. 158
3.3 Судовые спектрометры для регистрации спектрального состава восходящего излучения моря. 166
3.3.1 6-канальный поляризационный спектрометр восходящего излучения моря. 167
3.3.2 Гиперспектральный спектрометр «POLAS», 181
Глава IV. Использование пассивного и активного оптического зондирования для исследования пространственно-временного распределения биооптических характеристик ВСО . 188
4.1 Спектры ЛИФ оптически эффективных компонент морской воды. 188
4.2 Оптическая классификация морских вод с использованием ЛИФ спектров. 194
4.3 Разработка региональных алгоритмов восстановления концентрации хлорофилла «а» из спутниковых данных о цвете моря с использованием ЛИФ метода и результаты сравнительного анализа судовых и спутниковых измерений . 209
4.4 Пассивно-активные методики оптического зондирования для измерения структурных особенностей распределения биооптических характеристик в верхнем слое океана, 231
4.5 Динамика светорассеивагощих слоев по результатам глубинного гидролидарного зондирования. 239
Заключение 251
Приложение 1. Основные гидрооптические характеристики 254
- Связь вторичных и первичных гидрооптических характеристик. Коэффициент яркости моря
- Лидары упругого рассеяния для исследования горизонтальной изменчивости первичных гидрооптических характеристик
- Лидары для зондирования ВСО через открытую морскую поверхность и оптическую шахту
- Разработка региональных алгоритмов восстановления концентрации хлорофилла «а» из спутниковых данных о цвете моря с использованием ЛИФ метода и результаты сравнительного анализа судовых и спутниковых измерений
Связь вторичных и первичных гидрооптических характеристик. Коэффициент яркости моря
Пассивное оптическое зондирование (ПОЗ) верхнего слоя океана -одно из наиболее бурно развивающихся направлений в оптической океанологии. Значительный прогресс в области освоения космоса и успехи в развитии телекоммуникационных систем обеспечили возможность оперативно собирать и передавать на землю информацию оптического зондирования поверхности Земли. Развитые технологии регистрации восходящего излучения моря и современные алгоритмы обработки спектральной информации позволили использовать методы пассивного оптического зондирования для исследования распределения биооптических характеристик в глобальных масштабах Мирового океана.
Пассивное оптическое зондирование океана основано на исследовании взаимодействия энергии солнечного излучения с океаном как физической средой в целом. В качестве зондирующего выступает прямое и рассеянное атмосферой солнечное излучение, проникающее в толщу океана через границу раздела океан-атмосфера. Состояние морской поверхности и угол падения на морскую поверхность прямого солнечного излучения - важные факторы в формировании угловой структуры ниспадающего в океане потока солнечной радиации. По мере своего распространения в морской толще солнечное излучение претерпевает множественные акты рассеяния и поглощения, в результате которых происходит трансформация его угловой структуры и спектрального состава. За процессы рассеяния и поглощения световой энергии в морской толще ответственны оптически эффективные компоненты морской воды, к которым относятся молекулы воды, органическая и неорганическая материя, находящаяся в растворенном и взвешенном состоянии. Часть рассеянной на них радиации образует
восходящий поток света, который достигает поверхности и проходит через нее в атмосферу.
Световые поля, возникающие вследствие рассеяния в океанической толще, и являются объектом исследования в методах ПОЗ. Их энергетические характеристики, доступные для измерения, содержат информацию об оптических свойствах морской воды и ее оптически эффективных компонентах. Все модели оптических свойств воды основаны на предположении, что в видимом диапазоне первичные гидрооптические характеристики определяются 3 основными компонентами: клетками фитопланктона, взвешенными частицами и желтым веществом, входящим в состав растворенного органического вещества (РОВ). Каждый из этих компонентов имеет свою характерную спектральную кривую поглощения световой энергии и вносит свой парциальный вклад в обобщенную спектральную кривую поглощения морской водой. Еще на заре развития оптической океанологии было замечено, что цвет морской поверхности зависит от концентрации фитопланктона.
Яркость восходящего из-под поверхности излучения воспринимается глазом как яркость поверхности моря, а его спектральные характеристики -как цвет моря. На этом были основаны первые оценки содержания фитопланктона в морской воде. Более детальное исследование оптических свойств морских вод показало, что для большинства районов океана ведущая роль в формировании первичных гидрооптических характеристик вод принадлежит фитопланктону и продуктам его жизнедеятельности. На этом основании, те первичные гидрооптические характеристики, природа которых связана с фитопланктоном, были отнесены к биооптическим характеристикам океана. Лабораторные исследования биооптических характеристик морской воды позволило разработать модели спектральных кривых поглощения и рассеяния морской водой.
С другой стороны, большое число одновременных натурных измерений яркости восходящего излучения моря и первичных гидрооптическиххарактеристик морской воды подтвердили их тесную взаимосвязь и позволили определить систему энергетических характеристик светового поля, наиболее тесно связанных с оптическими свойствами морской воды. В число этих характеристик входят: коэффициент диффузного ослабления Kd, коэффициент диффузного отражения моря R и коэффициент яркости моря р. Поскольку перечисленные выше энергетические характеристики светового поля могут быть выражены через первичные гидрооптические характеристики морской воды, они получили название вторичных гидрооптических характеристик (в зарубежной литературе - "apparent ifa properties" [1]). Являясь, прежде всего, характеристиками светового поля, вторичные гидрооптические характеристики определяются не только оптическими свойствами морской воды, но и зависят от состояния морской поверхности и атмосферы, как факторов, формирующих спектральную и угловую структуру зондирующего излучения. Связь между первичными и вторичными гидрооптическими характеристиками осуществляется АД посредством уравнения переноса излучения (УПИ) в морской воде. Успехи в разработке методов решения УПИ и методов моделирования оптических свойств морской воды позволили разработать эффективные алгоритмы восстановления первичных гидрооптических и биооптических характеристик среды на основе измеренных величин Kd, R и р. Алгоритмы восстановления биооптических характеристик морской воды можно разделить на 3 категории - эмпирические алгоритмы, ф/ аналитические и полу аналитические. В основе эмпирического подхода лежит анализ корреляционных связей и установление регрессионных соотношений между спектральной изменчивостью яркости восходящего излучения моря и концентрационной изменчивостью основных оптически эффективных компонентов морской воды. ф Аналитический подход основан на способах решения уравнения переноса лучистой энергии с целью получения функциональной связи между регистрируемой яркостью восходящего излучения и оптическими характеристиками водной толщи, определяемой оптическими компонентами морской воды.
Полуэмпирический подход основан на объединении аналитической модели переноса лучистой энергии и эмпирически установленных связей между спектральными данными и данными натурного эксперимента.
Морел и др. [2] предложили разделение океанических вод на 2 категории на основе оптических свойств: океанические (Воды 1 типа) и прибрежные (Воды 2 типа). Следуя этой терминологии [3] к водам 1 типа относятся те океанические воды, оптические свойства которых определяются фитопланктоном, а воды 2 типа характеризуются тем, что помимо хлорофилла на оптические свойства воды оказывают существенное влияние органические и неорганические взвешенные частицы и растворенное органическое вещество локального и терригенного происхождения.
Лидары упругого рассеяния для исследования горизонтальной изменчивости первичных гидрооптических характеристик
Регрессионный анализ, выполненный на большом экспериментальном материале, показал, что значение параметра SCDOM подвержено как пространственным [8,24] , так и временным вариациям [32]. Характерный диапазон изменчивости SCDOM для о = 440 нм: 0.011—0.019 нм . Кроме того, значение SCDOM зависит от того, в каком спектральном диапазоне производится его измерение [33].
Вариации SCDOM отражают изменчивость состава РОВ, соотношения высокомолекулярной и низкомолекулярной фракции. Деградация ров, проявляющаяся в распаде высокомолекулярных органических комплексов, сопровождается их осаждением и накапливанием в нижележащих слоях. Замечено, что с глубиной наблюдается увеличение значений SCDOM, что, вероятно, связано со «старением» РОВ.
Уравнение для аспом имеет довольно простую форму и его удобно использовать в расчетах и моделировании, но оно не объясняет изменчивость SCDOM, связанную с изменением состава РОВ, и не раскрывает механизм поглощения световой энергии сложными высокомолекулярными комплексами.
Более подробный анализ спектральной формы асоом в ультрафиолетовой области показал, что экспоненциальный рост с уменьшением длины волны прекращается в районе 200 нм и на интервале 200 - 190 нм наблюдается резкий спад. Кроме пика в районе 200 нм на спектральной кривой наблюдается плечо в области 260 нм [34]. Такое поведение спектральной огибающей коэффициента абсорбции РОВ авторы [35] приписали наличию в этой области нескольких Гауссовых полос поглощения, характерных для бензола. Бензол относится к ароматическим кольцевым структурам, входящим в состав гуминовых кислот [36] и РОВ.
Этот подход был использован Gege [34] при анализе коэффициента абсорбции РОВ в пробах озерной воды. Он моделировал спектральную кривую тремя широкими полосами поглощения, центрированными при 205, 233и251нм.
В работе [37] спектральная кривая асоом(Л) аппроксимируется пятью Гауссианами, центрированными на интервале 170 - 260 нм. Наблюдая пространственную изменчивость асоом( ) в эстуарии реки Вислы, авторы показали, что изменения в параметрах полос поглощения могут характеризовать физико-химические процессы, приводящие к трансформации состава РОВ в области активного перемешивания речных и морских вод, и объяснять переход РОВ от терригенной формы к морской. Авторы отметили большие потенциальные возможности модели в исследовании состава РОВ.
Состав взвешенного в морской воде вещества не имеет четкого определения. Обычно к нему относят все частицы, органического и неорганического происхождения, не относящиеся к клеткам живого планктона. Кирк в 1994 году [31] предложил относить к взвешенному веществу все твердые частицы, осаждаемые на фильтре в процессе фильтрования морской воды. В частности, к таким частицам относятся обломки скелетов и панцирей диатомовых водорослей.
Спектральная кривая взвеси органического происхождения имеет экспоненциальную зависимость, подобную желтому веществу [38]. Авторами было отмечено, что при возрастании концентрации хлорофилла «а» относительный вклад детритов в абсорбцию воды имеет тенденцию к уменьшению.
Взвесь неорганического происхождения состоит в основном из мелкодисперсных фракций кварца, глинистой породы или окислов металлов, размер частиц которых простирается от 1 до нескольких десятков микрон. В некоторых случаях они оказывают значительно большее влияние на оптические свойства воды, чем органические частицы. Примером этому могут быть мутные прибрежные воды, обогащенные минеральной терригенной взвесью, и очень чистые области открытого океана, в воды которых выпадает аэрозоль в период материковых пылевых бурь. Было показано, что и абсорбция минеральной взвесью имеет характерный спектральный экспоненциальный спад с увеличением длины волны. Анализ большого количества спектральных кривых коэффициента абсорбции взвеси, выполненный разными авторами [38,39,40,41,24] в пробах воды различной мутности показал, что его спектральное поведение аналогично формуле (1.2.5). Параметр Sd, определяющий наклон спектральной кривой абсорбции детритами, изменяется в очень узком диапазоне величин 0.011- 0.013 нмЛ Большие серии измерений, выполненные авторами [24] в водах Балтийского и Северного морей подтверждают, что, несмотря на столь различную природу взвеси в этих морях, величины Sd по прежнему находятся в узком диапазоне. Для сильно замутненных вод Балтийского моря состав взвеси имеет ярко выраженную основу органического происхождения, в то время, как для вод Северного моря характерна взвесь минерального терригенного происхождения, Это качественное различие, тем не менее, находит отражение в том, что средние значения Sd вод Балтийского моря несколько выше, чем для Северного моря.
Одинаковое спектральное поведение коэффициентов поглощения acDOM( ) и з (Х) и близкие диапазоны изменчивости SCDOM И Sd во всем видимом диапазоне не позволяют разделить фракции чисто оптическими методами. В настоящее время поглощение желтым веществом и взвешенными частицами, детритами, производится в рамках объединенной модели:
Где, как и в формуле (1.2.1), ag(A.) - коэффициент абсорбции желтым веществом и детритами, sg - параметр характеризующий спектральный наклон, а в качестве XQ используют значение Я,о=440 нм.
Лидары для зондирования ВСО через открытую морскую поверхность и оптическую шахту
Особенность перечисленных выше вторичных гидрооптических характеристик состоит в том, что они определяются через энергетические характеристики светового поля и характеризуют его свойства. Прямое солнечное излучение и рассеянное атмосферой формирует над поверхностью океана и под ней ниспадающий световой поток. По мере проникновения вглубь океана световой поток испытывает множественные акты поглощения и рассеяния, приводящие к изменению его спектрального состава и угловой v структуры распространения. Часть рассеянной морской толщей световой энергии образует восходящий световой поток, достигающий поверхности и выходящий из - под нее. Поскольку световое поле в океане и над его поверхностью (за счет восходящего из-под морской поверхности излучения) формируется первичными оптическими характеристиками морской воды, то вторичные гидрооптические характеристики оказываются связанными с усредненными первичными гидрооптическими характеристиками морской толщи.
Связь вторичных гидрооптических характеристик с первичными описывается уравнением переноса излучения (УПИ) с учетом соотношений (1.3.1 - 1.3.4) (определения квартета облученностей Ed, Eu, Е0сі, Eou и других энергетических характеристик светового поля приведены в табл. 2 приложения 1):
Формула (1.3.5) представляет упрощенный вид УПИ, не учитывающий неупругое рассеяние и предполагающий горизонтальную однородность оптических свойств водной толщи. Она устанавливается связь между основной энергетической характеристикой поля - яркостью L и первичными гидрооптическими характеристиками asea и Ьзеа(здесь введены обозначения для оптической глубины: T=[asea+bsea]z; для выживания фотона sea l"sea ""OseaJ ). Зависимость вторичных гидрооптических характеристик от первичных открывает прекрасную перспективу оценки оптических свойств морской толщи по относительно простым измерениям вторичных гидрооптических характеристик. Причем, измерения могут быть выполнены, как под морской поверхностью, так и над ней дистанционными методами. Задача в такой постановке сводится к решению обратной задачи переноса излучения. На этом пути возникают проблемы, связанные с отсутствием строгих методов решения не только обратной, но и прямой задачи во всем диапазоне изменчивости оптических свойств воды. На сегодняшний день существует множество методов аналитического и численного решения уравнения (1.3.5). Каждый из них основан на определенных предположениях, ограничивающих область их применимости. Тем не менее, в области своей применимости, решения УПИ позволяют исследовать функциональную зависимость энергетических характеристик светового поля от оптических характеристик водной толщи. Использование в расчетах приближенных методов всегда поднимает вопрос о степени применимости метода и ошибке расчета в конкретной ситуации. Развитие компьютерной техники и методов численного решения УПИ [51,52] позволило считать их точными и обеспечило исследователей средством оценки того или иного аналитического решения. Кроме того, численные методы решения УПИ, позволили анализировать изменчивость световых полей при изменении гидрооптических характеристик в модели среды. Сравнение приближенных аналитических решений с модельными расчетами дает возможность улучшить сходимость аналитического решения путем введения дополнительных регрессионных соотношений между параметрами.
Подобный подход был использован Гордоном и Кирком [45,53,54]. Полученное Гордоном аналитическое решение УПИ в приближении квазиоднократного [55] рассеяния было использовано им для расчета диффузного коэффициента отражения R(z=0") и коэффициента диффузного ослабления Kd (z=0"). «z=0 » - означает расположение вблизи и под поверхностью.
Его решение соответствовало частному случаю наклонного падения прямого (не рассеянного атмосферой) солнечного излучения на плоскую поверхность гомогенного бесконечно глубокого океана. Оптические характеристики однородной морской толщи определялись коэффициентом абсорбции а и показателем рассеяния Ь. щ, - косинус угла распространения излучения под поверхностью океана. Для случая перпендикулярного к поверхности падения солнечного излучения, соответствующего но = 1, и усредненной индикатрисы рассеяния Петцольда величины R и Kd демонстрируют явную зависимость от первичных гидрооптических характеристик: Из формул (1.3.6 - 1.3.9) видно, что при безоблачном небе, высоком положении солнца и полном штиле подповерхностные измерения вторичных гидрооптических характеристик позволяют организовать достаточно точные эксцресс измерения основных гидрооптических характеристик верхнего слоя океана. Однако, при появлении облачности и изменении состояния морской поверхности происходит изменение условий освещенноцти в подповерхностном слое, изменяются угловые и спектральные характеристики ниспадающего излучения. Как и следовало ожидать в этом случае, рассчитанные методом Монте-Карло вторичные гидрооптические характеристики выказывают сильную зависимость от среднего косинуса светового поля Цо, характеризующего угловую структуру ниспадающего излучения на границе раздела сред. Гордон показал, что условия освещенности могут быть учтены во вторичных гидрооптических характеристиках путем введения регрессионных функций. Так, для R(Do=l/uo) можно записать выражение, достаточно хорошо аппроксимирующее «точное» решение методом Монте-Карло: где Ц І/Цо, Mo - средний косинус светового поля под границей раздела, учитывающий, как вклады прямого и рассеянного атмосферой солнечного излучения, так и влияние ветрового волнения на угловую структуру суммарного ниспадающего потока; m - регрессионный параметр, зависящий от индикатрисы рассеяния морской водой. На основе измерений коэффициентов диффузного отражения морем и диффузного ослабления разработано множество методик и алгоритмов восстановления основных гидрооптических и биооптических характеристик верхнего слоя океана. Все они основаны на подводных измерениях и представляют значительный интерес с точки зрения проведения подспутниковых измерений, цель которых состоит в верификации и совершенствовании дистанционных спутниковых биооптических алгоритмов.
Разработка региональных алгоритмов восстановления концентрации хлорофилла «а» из спутниковых данных о цвете моря с использованием ЛИФ метода и результаты сравнительного анализа судовых и спутниковых измерений
Подстановка (1.4.2) в (1.4.1) при известных bw(A/) и aw(X) [47] и коэффициенте асимметрии индикатрисы К Петцольда позволяет получить выражение для коэффициента яркости моря как функции концентрации хлорофилла «а». Алгоритмы, восстанавливающие из коэффициента яркости величину концентрации хлорофилла «а» или величины первичных гидрооптических характеристик, связанных с биологическими объектами, принято называть биооптическими.
Биооптические алгоритмы условно разделяются на эмпирические и квазианалитические алгоритмы или другое, не менее часто встречаемое название, - полуаналитические.
К эмпирическим относятся алгоритмы, не имеющие четкого теоретического обоснования. Они основаны на эмпирически найденных регрессионных соотношениях между восстанавливаемой величиной и отдельными характеристиками спектральной кривой коэффициента яркости моря. К таким алгоритмам относится алгоритм восстановления концентрации хлорофилла «а», получивший название алгоритма сине-зеленого отношения. Именно им обусловлены первые успехи спутникового зондирования поверхности океана с помощью сканера цвета моря CZCS (Costal Zone Color Scanner). Восстановление концентрации хлорофилла «а» осуществляется по формуле:
В алгоритме используется отношение двух спектральных полос, лежащих в синей (Я=490 нм) и зеленой области (Я=555 нм) спектральной кривой коэффициента яркости моря. Качественное описание работы алгоритма можно выполнить на основе рассмотрения спектральных кривых поглощения фитопланктоном и коэффициента яркости моря. Как видно из рисунков 1.2.1 - 1.2.2, длина волны А,=490 нм находится вблизи пика поглощения пигментами фитопланктона, а =555 нм - в области наименьшего поглощения фитопланктоном. При увеличении концентрации фитопланктона в морской воде увеличивается поглощение света в синей области спектра. Цвет воды становится более зеленым, а в синей области спектральной кривой яркости моря наблюдается понижение значений и даже провал.
Несмотря на свою простоту, биооптический алгоритм сине-зеленого отношения хорошо зарекомендовал себя в экваториальных и субэкваториальных водах открытого океана с малой концентрацией фитопланктона и хлорофилла «а». Это объясняется тем, что он настроен на среднестатистические вариации хлорофилла «а» в глобальном масштабе Мирового океана, которые характерны и для тропических и субтропических вод в силу их более значимого статистического веса. По этой причине его часто называют глобальным биооптическим алгоритмом.
В прибрежных водах и водах высоких широт алгоритм сине-зеленого отношения приводит к многократно завышенным значениям концентрации хлорофилла «а». В водах высоких широт, особенно арктических, где из-за особых условий световой адаптации, низкой температуры и относительно большой концентрации биогенных веществ, пигментный состав клеток фитопланктона имеет отличную от субтропического планктона структуру. Это приводит к нарушению связи между концентрацией хлорофилла «а» и спектральной абсорбцией пигментов, характерной для субтропического фитопланктона. Кроме того, для вод высоких широт характерна повышенная по сравнению с водами низких широт концентрация фитопланктона. Эти причины приводят к отклонению от среднестатистической связи между оптическими характеристиками вод и концентрацией хлорофилла «а», на которую ориентирован универсальный биооптический алгоритм сине-зеленого отношения [60 ].
Отклонение от среднестатистических связей между первичными гидрооптическими характеристиками достигает своего кульминационного значения в прибрежных водах. Изменчивость оптических свойств прибрежных вод теряет свою доминирующую зависимость от жизнедеятельности фитопланктона. Между основными гидрооптическими характеристиками устанавливаются другие регрессионные соотношения, отражающие региональные особенности. Этими причинами объясняется то, что в водах прибрежных районов наблюдается наибольшее отклонение глобальных биооптических алгоритмов в оценке восстанавливаемых параметров.
Грубые ошибки эмпирического алгоритма сине-зеленого отношения в прибрежных водах и водах высоких широт показали необходимость разработки более совершенных и универсальных алгоритмов, в основе которых лежит теоретически обоснованная модель аналитической связи коэффициента яркости моря с гидрооптическими характеристиками и эмпирические модели биооптических характеристик морской воды. Такой полуаналитический подход в разработке биооптических алгоритмов нашел свое отражение в названии - «полуаналитический биооптический алгоритм»,
Основу полуаналитического биооптического алгоритма составляет одна из функций р(а,Ьь), полученных авторами [56; 5; 26]. Краткий обзор этих функций приведен в разделе 1.3 формулы (1.3.10 - 1.3.15). Несмотря на некоторые различия, все выражения для коэффициента яркости моря хорошо стыкуются между собой в некоторых предельных случаях [61
Общий подход к разработке алгоритма и характерные особенности его работы могут быть продемонстрированы на основе работы [61]. В качестве базисного выражения для р(0+) выбирается формула Гордона (1.3.10) из [5]:
