CC BY
16
Вестник ДВО РАН. 2017. № 4
УДК 53.082
Г.И. ДОЛГИХ, С.Г. ДОЛГИХ, А.А. ПЛОТНИКОВ, В.А. ЧУПИН, В.А. ШВЕЦ, СВ. ЯКОВЕНКО
Низкочастотные особенности динамики фитопланктона
Приведены результаты испытаний гидробиофизического комплекса, состоящего из лазерного измерителя вариаций давления гидросферы и флуориметра. Комплекс предназначен для измерения вариаций давления гидросферы с точностью 1 мПа в частотном диапазоне от 0 (условно) до 1000 Гц. Установлено, что динамика синего и красного спектров излучения хлорофилла на определенной глубине зависит от гидросферных процессов диапазона ветровых волн, сейш и приливов.
Ключевые слова: лазерный измеритель вариаций давления гидросферы, флуориметр, экспериментальные данные, фитопланктон, спектры, ветровые волны, сейши, приливы.
Low-frequency peculiarities of the phytoplankton dynamics. G.I. DOLGIKH1, 2, S.G. DOLGIKH1, 2, A.A. PLOTNIKOV1, V.A. CHUPIN1, 2, V.A. SHVETS1, 2, S.V. YAKOVENKO1, 2 (V.I. Il'ichev Pacific Oceanological Institute, FEB RAS, Vladivostok1, Far Eastern Federal University, Vladivostok2).
Results of tests of the hydrobiophysical complex, consisting of a laser measuring instrument of hydrosphere pressure variations and a fluorimeter are presented. The complex is intended for measuring hydrosphere pressure variations with an accuracy of 1 mPa in the frequency range from 0 (conditionally) to 1000 Hz. It is established that the dynamics of blue and red spectrums of chlorophyll radiation at a certain depth depends on hydrosphere processes of the range of wind waves, seiche and high tides.
Key words: laser measuring instrument of hydrosphere pressure variations, fluorimeter, experimental data, phytoplankton, spectrum, wind waves, seiche, high tides.
Введение
Как известно, динамика численности или биомассы фитопланктона определяется процессами фотосинтеза, заключающимися в построении органического вещества из минеральных соединений. Основную роль в этой динамике играет солнечная энергия. В связи с этим при изучении динамики первичного продуцента органического вещества в различных водоемах внимание уделялось преимущественно сезонным, годовым
*ДОЛГИХ Григорий Иванович - академик, заместитель директора по научной работе, ДОЛГИХ Станислав Григорьевич - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичёва ДВО РАН, Владивосток, Дальневосточный федеральный университет, Владивосток), ПЛОТНИКОВ Александр Александрович - кандидат технических наук, научный сотрудник (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичёва ДВО РАН, Владивосток), ЧУПИН Владимир Александрович - кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник, ШВЕЦ Вячеслав Александрович - кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ЯКОВЕНКО Сергей Владимирович - кандидат технических наук, старший научный сотрудник (Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичёва ДВО РАН, Владивосток, Дальневосточный федеральный университет, Владивосток). *Е-таП: [email protected]
Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ (Соглашение № 14-50-00034. Создание комплекса, обработка и интерпретация полученных экспериментальных данных) и программы «Дальний Восток».
и межгодовым вариациям. При этом практически не рассматривались мелкомасштабные процессы, которые также могут оказывать существенное влияние на динамику в цепочке «фитопланктон-зоопланктон-рыбы-морские животные».
К мелкомасштабным процессам в этой статье мы относим процессы, лежащие в диапазоне от 24 ч до 1 с. В этом диапазоне периодов находятся различные гидрофизические процессы периодического и квазипериодического характеров: приливы, инерционные колебания, сейши, внутренние волны, зыбь, региональные ветровые волны. Для изучения связи данных процессов с биомассой первичного продуцента органического вещества необходимо создание комплекса, способного регистрировать любые периодические и квазипериодические вариации основных гидрофизических параметров (давление, температура) в рассматриваемом диапазоне периодов, а также вариации численности исследуемой биомассы.
Перед авторами стояла задача определить пороговый уровень колебаний гидрофизических параметров, на который откликается биомасса. В настоящее время созданы лазерные измерители вариаций давления гидросферы и их модификации [2-4], предназначенные для измерения вариаций гидросферного давления с точностью от 1 мПа до 1 мкПа в частотном диапазоне от 0 (условно) до 1000 Гц. Дополнительно данные установки оснащены высокочувствительными термодатчиками для одновременного измерения вариаций температуры. По частотному диапазону и точности измерения исследуемых параметров данные установки являются наиболее подходящими для проведения мониторинговых работ при изучении влияния гидрофизических процессов на различные биообъекты. Для исследования динамики численности или биомассы первичного продуцента органического вещества существуют современные установки - флуориметры, обладающие техническими характеристиками, необходимыми для решения поставленных задач.
В данной работе поставлена задача провести первичный анализ экспериментальных данных, полученных на созданном гидробиофизическом комплексе, состоящем из лазерного измерителя вариаций давления гидросферы и флуориметра с вспомогательной аппаратурой (АЦП, вычислительным комплексом, телекоммуникационными линиями).
Гидробиофизический комплекс
Как было сказано выше, гидробиофизический комплекс состоит из лазерного измерителя вариаций давления гидросферы и флуориметра. Дополнительно он оснащен линиями электропитания и телекоммуникационными линиями для передачи информации с мест постановки в береговые лабораторные помещения, многоразрядным АЦП, системой точного времени, компьютером, предназначенным для первичной обработки и записи полученных экспериментальных данных на твердые носители.
На рис. 1 показан внутренний вид лазерного измерителя вариаций давления гидросферы, созданного на основе интерферометра Майкельсона и частотно стабилизированного гелий-неонового лазера фирмы Melles Griot. Лазер имеет следующие параметры: длина волны 630 нм, максимальная мощность излучения 1,4 мВт, нестабильность частоты излучения 10-8 за 8 ч.
Чувствительным элементом лазерного измерителя вариаций давления гидросферы является круглая мембрана. Она закреплена в его съемной крышке таким образом, что одна ее сторона контактирует с водой, а другая - с закрепленным на ней зеркалом, обращенным внутрь прибора. При этом зеркало служит частью измерительного плеча интерферометра (рис. 2). Работает прибор следующим образом. Под действием вариаций давления гидросферы центр мембраны смещается. От величины этого смещения зависит интенсивность интерференционной картины, которая формируется интерферометром. Изменения интенсивности интерференционной картины фиксируются цифровой системой регистрации. Выходной сигнал системы регистрации пропорционален изменениям вариаций давления
гидросферы и является выходным сигналом лазерного измерителя вариаций давления гидросферы.
Прибор снабжен устройством компенсации внешнего давления, которое необходимо при погружении лазерного измерителя на рабочую глубину, а также при его поднятии. Система компенсации внешнего давления состоит из эластичной емкости с воздухом, которая находится снаружи прибора, отсечного клапана, соединительных трубок и камеры, в которую накачивается воздух. Последняя образована мембраной, оптическим окном и основной крышкой прибора. При погружении и поднятии отсечный клапан находится в открытом положении. При погружении воздух из эластичной камеры под действием давления воды движется по соединительным трубкам через открытый клапан в камеру. При поднятии происходит то же, только в обратном направлении. Таким образом поддерживается постоянное равенство между давлением на внешнюю сторону мембраны и давлением на ее внутреннюю сторону. При достижении прибором необходимой для работы глубины клапан закрывается. Все изменения давления после этого момента уже не будут компенсироваться и могут быть зарегистрированы. Таким образом, на любой рабочей глубине начальное рабочее положение центра мембраны остается неизменным.
Как отмечалось выше, зеркало, закрепленное на мембране, является частью интерферометра. Его оптическая схема приведена на рис. 2. В основе ее лежит интерферометр Майкельсона, источником излучения которого служит частотно стабилизированный гелий-неоновый лазер (5). Луч лазера попадает на плоскопараллельную делительную
Рис. 1. Лазерный измеритель вариаций давления гидросферы. Слева - в собранном состоянии внутри постановочной рамы вместе с эластичной емкостью, наполненной воздухом, справа - внутренний вид прибора
Рис. 2. Оптическая схема лазерного измерителя вариаций давления гидросферы. 1 - корпус, 2 - мембрана с закрепленным в центре зеркалом, 3 - оптическое окно, 4 - линза, 5 - частотно стабилизированный гелий-неоновый лазер, 6 - плоскопараллельная делительная пластина, 7 -фотоприемник, 8 - дополнительное зеркало, 9 - пьезокерамика раскачки, 10 - пьезокерамика компенсации
пластину (6), которая делит его на два луча - измерительный и опорный. Измерительный луч с помощью дополнительного зеркала (8) направлен на линзу (4), далее через оптическое окно - на зеркало, закрепленное на мембране (2). Оптическое окно предназначено для пропускания в компенсационную камеру лазерного луча. После отражения от зеркала, закрепленного на мембране, луч снова попадает сначала на линзу, а потом с помощью дополнительного зеркала на делительную пластину (6), от которой направляется на фотодиод (7). Опорный луч после делительной пластины проходит через систему управляющих зеркал (9 и 10), установленных на пьезокерамических основаниях. Далее он, как и измерительный луч, попадает на фотодиод (7). На фотодиоде с помощью указанных двух лучей настраивается интерференционная картина.
Рассмотрим работу интерферометра при измерении вариаций давления гидросферы. В начальный момент работы интерферометр настроен таким образом, что интерференционная картина на его выходе имеет максимум интенсивности. Во время работы изменения гидросферного давления на мембране приводят к смещению ее центра относительно положения равновесия, что в свою очередь приводит к изменению длины измерительного плеча интерферометра и изменению интенсивности интерференционной картины. Интерферометр управляется системой регистрации, одна из задач которой - удерживать интенсивность интерференционной картины на максимуме. Для этого система регистрации, реагируя на изменения яркости интерференционной картины, снятые фотоприемником, вырабатывает высокое напряжение и подает его на пьезокерамику компенсации, которая вместе с установленным на нее зеркалом входит в состав опорного плеча интерферометра. В зависимости от напряжения пьезокерамика компенсации сжимается или разжимается, что приводит к увеличению или уменьшению длины опорного плеча интерферометра. Таким образом система регистрации компенсирует разницу между длиной опорного и длиной измерительного плеча, удерживая интерференционную картину в максимуме интенсивности.
Точность измерения вариаций гидросферного давления (AP) можно оценить по формуле для круглой мембраны, закрепленной на краях:
AP = (16 • М • h3 • E) / (3 • (1 - с2) • R4),
где Al - смещение центра мембраны, h - толщина мембраны, E - модуль Юнга, с - коэффициент Пуассона, R - диаметр мембраны.
В зависимости от основных параметров мембраны и при точности измерения изменения разности хода в плечах интерферометра (Al), равной 1 нм, точность измерения вариаций давления гидросферы находится в пределах от 1 мПа до 1 мкПа.
В постановочной раме рядом с лазерным измерителем вариаций давления гидросферы закреплен погружной флуориметр C3 (рис. 3), изготовленный компанией Turner Designs. Он укомплектован двумя светочувствительными датчиками invivo для измерения люминесценции хлорофилла фитопланктона в синем 460 нм и красном 635 нм спектрах излучения. Диапазон синего излучения позволяет зафиксировать концентрацию в диапазоне 0,025-500 мкг/л, диапазон красного излучения - более 500 мкг/л. Прибор укомплектован также датчиками давления и температуры. Долговечный корпус сделан из поли-Рис. 3. Флуориметр С3 формальдегида Delrin, что позволяет
V
Г1
работать в агрессивной морской среде. Поверхности корпуса возле оптических датчиков комплектуются медными вставками для понижения биологического загрязнения светочувствительных элементов. Масса прибора 1,64 кг, длина 23 см, диаметр 10 см, диапазон температур от -2 до +50 °С. Глубина погружения до 600 м. Максимальная дискретность получения данных 1 Гц. Флуориметр обладает возможностью вывода цифровых данных в формате ASCII либо получения аналоговых данных при наличии соответствующего адаптера.
Вся информация с измерительных установок комплекса по кабельным линиям поступает в береговой лабораторный корпус, где после предварительной обработки заносится в базу экспериментальных данных.
Результаты испытаний комплекса
Для проведения испытаний комплекс был установлен на глубине 8 м в бухте Витязь зал. Посьета Японского моря (рис. 4).
Рис. 4. Место постановки лазерного измерителя вариаций давления гидросферы (ЛИВДГ) и флуориметра
Запись проводилась в течение нескольких недель. Полученная информация с регистрационных установок комплекса по кабельным линиям подавалась на пишущий компьютер, расположенный в приборном домике. В дальнейшем, после предварительной фильтрации низкочастотным фильтром Хэмминга и децимацией, данные лазерного измерителя вариаций давления гидросферы помещались в базу данных с частотой дискретизации 1 Гц. Параллельно в эту же базу данных заносились показатели с флуориметра. Таким образом, после обработки синхронных данных лазерного измерителя вариаций давления гидросферы и флуориметра можно судить о процессах с периодами выше 2 с. В этом диапазоне периодов находятся ветровые, инфрагравитационные и внутренние морские волны, сейши, инерционные колебания, приливы.
Рис. 5. Спектры синхронных участков записей лазерного измерителя вариаций давления гидросферы (верхний) и флуориметра (нижний)
Рис. 6. Спектры синхронных данных лазерного измерителя вариаций давления гидросферы (верхний) и флуориметра (средний - синий, нижний - красный спектр излучения)
При обработке данных в диапазоне ветровых морских волн установлено, что колебания показаний флуориметра коррелируют с изменением интенсивности ветрового волнения. Период колебаний показаний флуориметра равен периоду колебаний ветрового волнения. На рис. 5 приведены спектры, полученные при обработке синхронных экспериментальных данных флуориметра и лазерного измерителя вариаций давления гидросферы. Максимальный пик соответствует периоду около 8 с, т.е. периоду волн зыби, пришедшей в бухту из открытой части Японского моря.
При обработке длительных рядов наблюдения выделены колебания, соответствующие суточному и полусуточному неправильному приливу. На рис. 6 приведены спектры излучения, полученные при обработке синхронных записей лазерного измерителя вариаций давления гидросферы и флуориметра.
Выявлена интересная особенность: если для морского прилива характерен полусуточный пик больше суточного, то полусуточный пик в обоих спектрах излучения флуори-метра меньше суточного. Возможно, это связано с режимом освещенности водной поверхности Солнцем. Кроме того, при обработке отдельных рядов наблюдения по данным флуориметра выделены флуктуации с периодом около 17-18 мин, которые свойственны сейшам бухты Витязь [1].
Заключение
Проведенные испытания гидробиофизического комплекса, состоящего из лазерного измерителя вариаций давления гидросферы и флуориметра, показали его большие перспективы для изучения природы вариаций первичного продуцента органического вещества, связанных с основными колебательными гидросферными процессами в диапазоне периодов от ветровых волн до приливов. Установлено сильное влияние ветрового волнения и приливов на динамику биомассы фитопланктона.
ЛИТЕРАТУРА
1. Долгих Г.И., Долгих С.Г., Смирнов С.В., Чупин В.А., Швец В.А., Яковенко С.В. Инфразвуковые колебания Японского моря // Докл. АН. 2011. Т. 441, № 1. С. 98-102.
2. Долгих Г.И., Долгих С.Г., Ковалев С.Н., Швец В.А., Чупин В.А., Яковенко С.В. Лазерный измеритель вариаций давления гидросферы // Приборы и техника эксперимента. 2005. № 6. С. 137-138.
3. Долгих Г.И., Плотников А.А., Будрин С.С. Мобильный лазерный измеритель вариаций давления гидросферы // Приборы и техника эксперимента. 2011. № 4. С. 161-162.
4. Dolgikh G., Dolgikh S., Kovalyov S., Chupin V., Shvets V., Yakovenko S. Super-low-frequency laser instrument for measuring hydrosphere pressure variations // J. Mar. Sci. Technol. 2009. Vol. 14, N 4. P. 480-488.
