Обзор подготовлен по материалам Всероссийских открытых конференций «Современные проблемы дистанционного исследования Земли из космоса» за последнее десятилетие, ежегодно проводимых Институтом космических исследований РАН.

При обзоре материалов конференций 2009–2016 гг. по вопросам загрязнения океана, включающих более 100 докладов, выявлено, что наиболее активно развиваются методы исследования концентрации фитопланктона (около 40% работ) и методы контроля нефтяного загрязнения (30% работ). На внутримассовое загрязнение взвесями, мутность вод приходится 10% от общего числа докладов. Пятая часть работ относится к комплексным исследованиям различных параметров загрязнения, экологическим оценкам, организации исследований, созданию специальных сайтов для представления их результатов, разработке новых алгоритмов. Вопросам исследований нефтяного загрязнения вод океана посвящен предыдущий обзор, а настоящий охватывает работы по широко выполняемым дистанционным исследованиям фитопланктона в океане.

Фитопланктон (микроскопические одноклеточные живые организмы) — основа питания в океане. Они образуют нижний трофический уровень питания других морских организмов, выполняя фотосинтез в океанических водах. Фиксация углерода фитопланктоном или первичная продуктивность океана играет огромную роль в углеродном цикле и многих геохимических процессах. Поэтому этот параметр вод океана важен не столько в связи с вопросами их загрязнения, но и как экологически важный показатель биопродуктивности океана.

Биомасса фитопланктона — ключевая характеристика для расчета первичной продукции океанов и морей. Фитопланктон участвует в фотосинтезе, в глобальном балансе СО2. Наблюдения за фитопланктоном актуальны и в рыбохозяйственных целях, поскольку концентрация фитопланктона служит индикатором скопления промысловых рыб.

Содержащийся в фитопланктоне хлорофилл-а меняет цвет воды океана, который можно фиксировать со спутника. Эту информацию обеспечивают многозональные сканеры цвета воды, начиная с 1978 г. — сканирующая система CZCS/Nimbus, затем сменившие его SeaWIFS/SeaStar, MODIS/Aqua с 10 спектральными каналами в видимом диапазоне. В связи с изменением характеристик регистрирующей аппаратуры на новых спутниках при долговременном мониторинге решаются проблемы совместимости данных SeaWIFS, MODIS, MERIS. Анализируются особенности спектрального отражения фитопланктона, в частности причины возникновения локального минимума вблизи 510–520 нм в спектре коэффициентов яркости излучения, выходящего из водной толщи. В NASA регулярно создаются глобальные карты концентрации фитопланктона в океане с различным пространственным и временным осреднением, доступные по Интернету и широко используемые для Мирового океана. Они базируются на алгоритмах корреляции между цветовыми характеристиками вод и концентрацией фитопланктона, разработанных первоначально на основе контактных наблюдений в водах Калифорнийского залива и Карибского моря, и не учитывающих специфику морей России.

Региональные биооптические алгоритмы  

Применение стандартных биооптических алгоритмов, разработанных для сканеров SeaWIFS/SeaStar, MODIS/Aqua и полученных для вод открытого океана, при их использовании для большинства морей России может приводить к существенным ошибкам при расчетах концентрации хлорофилла и взвешенного вещества. Так, данные для Баренцева моря могут быть превышены в 4–23 раза, для Черного и Каспийского — в 2–21 раз. В связи с этим в Институте океанологии РАН проводится разработка алгоритмов для Баренцева, Белого, Черного, Каспийского, Японского, Карского морей. Основу составляют натурные подспутниковые наблюдения в рейсах, выполняемых при участии Атлантического и Южного отделений Института океанологии РАН, Тихоокеанского океанологического института, Российского государственного гидрометеорологического университета. С помощью плавающего спектрорадиометра проводятся измерения спектральных коэффициентов яркости водной толщи и прямыми стандартными методами определяется поверхностная концентрация хлорофилла и взвеси. Алгоритмы дифференцируются для разных частей морей — юго-восточной Балтики и Финского залива, северной и южной частей Каспийского моря и относятся лишь к определенным сезонам, когда выполняются рейсы, с чем связана необходимость их постоянного пополнения и обновления. В Карском море, где частая облачность существенно ограничивает возможности получения спутниковых данных сканеров цвета, приходится прибегать к осреднению за несколько дней и даже месяц, осложнение вносит также сильное влияние материкового стока на поверхностный слой воды. Океанологи ДВО РАН проводят комплексный спутниковый и натурный мониторинг биопараметров морских акваторий. В Японском море для калибровки спутниковых алгоритмов используются данные зонда SBE-19+. Как и в Карском море, в заливе Петра Великого на оценку концентрации хлорофилла-а сильно влияют высокие концентрации растворенного органического вещества (РОВ), выносимого с материковым стоком, в связи с этим проведены специальные эксперименты по изучению этого влияния. Ставится вопрос о разработке региональных алгоритмов и для оценки вод внутренних водоемов. На Горьковском водохранилище опробовано использование лазерного зондирования с помощью лидара УФЛ-9 для оценки концентрации хлорофилла, органических веществ.

Атласы биооптических характеристик морей России 

Начиная с 2002 г. в Лаборатории оптики океана Института океанологии РАН выпускаются электронные атласы биооптических характеристик морей России, построенные по данным спутниковых сканеров цвета и обновляемые каждые два года на основе разработанных региональных алгоритмов. На IX конференции ИКИ РАН был представлен шестой выпуск такого атласа, на XIII конференции — восьмой выпуск, а на XIV конференции доложено об использовании таких атласов в исследованиях арктических морей.

Каждый атлас включает данные по биооптическим характеристикам Баренцева, Белого, Черного и Каспийского морей и содержит около 2 тысяч цветных карт, показывающих среднемесячные распределения биооптических характеристик: концентрации хлорофилла и взвеси, показателей рассеяния назад взвешенными частицами и поглощения окрашенным органическим («желтым») веществом, а также температуры поверхности моря (ТПМ), диаграммы изменчивости среднемесячных значений вышеуказанных характеристик в различных субрегионах и для морей в целом, таблицы среднегодовых значений характеристик с 1998 по 2010 гг. Для расчета использовались ежедневные данные второго уровня сканеров цвета SeaWiFS (январь 1998 — июнь 2002) и MODIS-Aqua (июль 2002 — декабрь 2014), доступные на сайте НАСА (http://oceancolor.gsfc.nasa.gov), была выполнена «сшивка» данных SeaWiFS и MODIS-Aqua по перекрывающимся данным 2002–2007 гг. Данные 2013–2014 гг., впервые включенные в атлас, получены с помощью новой версии программного обеспечения SeaDAS l2gen 6.7.0. Материалы, представленные в Атласе, дают возможность заинтересованным специалистам-океанологам получить представление о пространственной и временной изменчивости биооптических характеристик в указанных морях России, которую реально можно изучить только с помощью спутниковых данных.

Сезонные и межгодовые изменения биооптических характеристик, циклы цветения фитопланктона 

Регулярная постоянная работа спутниковых сканеров цвета позволяет изучать сезонную и межгодовую изменчивость биооптических характеристик различных акваторий. Такое изучение выполнено для Черного моря, Балтийского моря, где по циклам цветения фитопланктона выделены три региона с различным распределением активности цветения, характерными пиками цветения весной и летом, в Финском заливе — также и осенью, а также для Бискайского залива. Исследуется влияние на циклы цветения различных факторов: прохождения глубоких циклонов над Баренцевым морем, температуры водной поверхности в окраинных морях северо-западной части Тихого океана, в Атлантическом океане. Выявлены шестнадцатилетние тренды изменчивости частотности цветения Emiliania Huxley и изменений площади ареалов их распространения в Северном, Норвежском, Гренландском, Баренцевом и Беринговом морях, что влияет на альбедо поверхности, потоки тепла, цикл углерода, кислотность воды, миграцию рыбы.

Цветения кокколитофорид, сине-зеленых и других водорослей

Цветения кокколитофорид — одноклеточных водорослей, представляющих собой сферические клетки, окруженные дискообразными чешуйками, состоящими из карбоната кальция CaCO3 — могут охватывать громадные площади в различных океанах и многих морях и оказывать существенное влияние на важные физические и биогеохимические процессы, в частности на обмен CO2 между океаном и атмосферой и глобальные климатические изменения. Кокколитофориды выделяются среди других видов фитопланктона по оптическим характеристикам, прежде всего сильным слабоселективным рассеянием, что делает возможным обнаружение их цветений по данным спутниковых сканеров цвета. Благодаря увеличенному содержанию в воде взвешенных частиц — специфического карбонатного «панциря» — яркость ее возрастает. Однако на яркость восходящего излучения влияют и другие виды фитопланктона, например, диатомовые водоросли, а также взвеси речного стока. В специальных экспериментах в северо-восточной части Черного моря предложены методы разделения доминирующих видов фитопланктона, кокколитофорид и взвесей, для чего предложена двухпараметрическая модель и алгоритм для расчета концентрации кокколитов. Решаются проблемы определения видового состава фитопланктона. Исследуется влияние видового состава фитопланктона на динамику развития биогенных пленок. Изучаются условия обитания бурых водорослей по данным дистанционного зондирования. В качестве показателя цветения Nodularia spumigena предложено использовать коротковолновые минимумы коэффициентов яркости водной поверхности. Сравнение возможностей индикации цветений в разных морях показывает необходимость разработки региональных алгоритмов, например, для Баренцева моря, где, в отличие от Карского, проблема влияния речного стока отсутствует. Разрабатываются региональные алгоритмы количественной оценки цветений цианобактерий в восточной части Финского залива. Выполнен сравнительный анализ распределений спектральных коэффициентов яркости водной поверхности, зарегистрированных сканером MODIS-Aqua до, во время и после интенсивных цветений кокколитофорид в Черном море и сине-зеленых водорослей на Балтике. Поскольку скопления сине-зеленых сопровождаются заметным поступлением их прижизненных выделений, то селективное светопоглощение оказывает гораздо более существенное влияние на формирование поля яркости на Балтике по сравнению с Черным морем. Изучены межгодовые изменения характеристик кокколитофоридных цветений в Баренцевом море. Выполнена количественная оценка годового продуцирования кокколитофорами взвешенного неорганического углерода и его многолетней динамики (2002–2010) в Арктическом океане, для чего привлечены данные не только в видимом, но и в инфракрасном и микроволновом диапазоне.

Исследование фитопланктона радиофизическими методами  

Все рассмотренные выше методы исследования фитопланктона основаны на использовании многозональных сканеров цвета, работающих в видимом диапазоне, и соответственно, неприменимы в условиях облачности. Для обширных площадей океанов и морей этот недостаток компенсируется за счет большой частоты наблюдения и временного осреднения. Такая компенсация мало реальна для небольших внутренних водоемов. Поэтому для оценки их эвтрофикации опробуется радиолокационное зондирование, независимое от облачности. В частности, это относится к эволюции пленки фитопланктона, образованной потоком вспенивающих газовых пузырьков. Для разработки радиофизических методов экологического мониторинга внутренних водоемов проведены подспутниковые эксперименты на Горьковском водохранилище. Натурные судовые дистанционные и контактные исследования зон цветения выполнялись квазисинхронно с радиолокационной съемкой акватории со спутника TerraSAR-X. С моторной лодки были взяты пробы биогенных пленок с использованием специальной сеточной методики с последующим лабораторным анализом упругих характеристик пленок, а также выполнен отбор объемных проб воды и определение ее эффективной вязкости в присутствии фитопланктона. Измеренные упругости биогенных пленок и, соответственно, коэффициент затухания гравитационно-капиллярных волн в целом растут с ростом концентрации фитопланктона, что объясняет эффект подавления радиолокационного рассеяния из зон с высокой концентрацией водорослей. Выполнены модельные расчеты изменения интенсивности радиолокационного рассеяния при различной концентрации фитопланктона, с использованием полученных в экспериментах данных о характеристиках пленок и эффективной вязкости воды. Теория и эксперимент удовлетворительно согласуются друг с другом. Полученные результаты свидетельствуют о возможности использования спутниковых радиолокаторов с синтезированной апертурой для диагностики зон с высокой концентрацией фитопланктона.

К аналогичным выводам о целесообразности применения методов радиолокации совместно с данными оптических сканеров цвета приходят и исследователи антропогенного эвтрофирования морских акваторий как индикатора экологического состояния морских экосистем. Поскольку при вспышках цветения фитопланктона существенно увеличивается количество пленок биогенного происхождения, предлагается детектировать их по спутниковым радиолокационным данным. Такие исследования проведены в восточной части Черного моря, где в период с октября 2010 по сентябрь 2011 гг. проанализированы более 100 снимков ASAR/Envisat, а на даты их получения по данным аппаратуры MODIS/Aqua построены поля распределения значений концентрации хлорофилла-а. На целесообразность совместного использования радиолокационных и оптических изображений указывают и другие исследователи, считая, что такой подход позволяет выделять поверхностные загрязнения на фоне других поверхностных аномалий шероховатости морской поверхности, например, штилевых областей или фронтальных зон течений.

Заключение 

Таким образом, в нашей стране широко проводятся исследования биологической продуктивности океана на основе спутниковых данных, главным образом цветовых сканеров, выполняющих съемку вод в оптическом диапазоне с последующим анализом спектральных характеристик излучения верхнего водного слоя, коррелирующих с содержанием в нем хлорофилла-а. Исследования направлены на уточнение биооптических алгоритмов для конкретных морей и условий съемки. Главный недостаток метода — зависимость от условий облачности. Поэтому важно также развитие всепогодных радиофизических методов, которые привлекаются для фиксации поверхностных биопленок на основе изменения ими характеристик шероховатости морской поверхности.

По материалам статьи Валентины Кравцовой, ведущего научного сотрудника лаборатории аэрокосмических методов кафедры картографии и геоинформатики географического факультета Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова

Оригинал статьи и список использованной литературы опубликован в журнале «Земля из космоса» 

 

Комментарии

Добавить комментарий