CC BY
23
Экспериментальные и экспедиционные исследования
УДК 551.463.5 В.И. Маньковский
Спектральный вклад компонентов морской воды в показатель ослабления направленного света в поверхностных водах Средиземного моря
Рассчитаны модельные спектры показателя ослабления направленного света в поверхностных водах Средиземного моря. По ним определен вклад компонентов морской воды (взвесь, желтое вещество, пигменты фитопланктона, чистая вода) в показатель ослабления направленного света в разных водах моря. Для поверхностных вод установлена формула связи показателя рассеяния света с показателем ослабления на длине волны 547 нм. Определено фоновое (предельное минимальное) значение показателя поглощения желтым веществом в водах Средиземного моря. Проведено его сравнение с аналогичным показателем в других водоемах -Черном море, оз. Байкал, Балтийском море, океанических водах.
Ключевые слова: показатель ослабления, взвесь, хлорофилл, желтое вещество.
Введение
При проведении оптического мониторинга морских водоемов широко используются измерения показателя ослабления направленного света. Показатель ослабления света (ПОС) является интегральной оптической характеристикой, представляющей собой сумму показателей поглощения и рассеяния света взвешенными и растворенными в воде веществами.
В плане экологического мониторинга водоемов актуальной задачей является обращение величин ПОС с целью получения информации о содержащихся в воде веществах и их спектральном вкладе в этот показатель. Эффективным методом в решении таких обратных задач является моделирование.
В работе [1] расчеты вклада различных компонентов морской воды в ПОС проводились на основе спектральной физической модели ослабления света. При этом использовались экспериментальные данные о показателе рассеяния на длине волны 550 нм для углов 1 и 45° и спектральном поглощении света водой.
В работах [2, 3] для этих целей применена полуэмпирическая модель, построенная на базе спектральной физической модели [1] с использованием эмпирических связей между некоторыми оптическими характеристиками. При моделировании используется экспериментально измеренное спектральное распределение ПОС. Критерием адекватности полуэмпирической модели является ее соответствие эксперименту. Подобного типа модель применена и в настоящей работе.
© В.И. Маньковский, 2011
14
0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 5
При расчете модельных спектров использовались экспериментальные спектры ПОС, измеренные в Средиземном море в мае 1998 г. во время экспедиции Морского гидрофизического института НАН Украины во 2-м рейсе НИС «Горизонт». Измерения ПОС проводились лабораторным прозрачноме-ром [4] в пробах воды с поверхности моря. Показатель ослабления измерялся в 13 спектральных участках: 416, 432, 468, 490, 506, 527, 547, 567, 587, 610, 625,640, 677 нм.
Величины оптических характеристик даются в статье при десятичном основании.
Конструкция модельных спектров ПОС
Спектральные показатели ослабления направленного света водой е(Л)в являются суммой спектральных показателей поглощения и рассеяния следующих компонентов [1]:
£(Л)в = *Г(Л)Хл + *Т(Л)Жв + Г(Л)чв + &(Л)взв + ^(Я)молек , (1)
где к(Л)хл, к(Л)жв, к(Л)чв - показатели поглощения пигментами фитопланктона (хлорофилл, феофитин), желтым веществом, чистой водой; <г(Л)юв, <г(Л)молек - показатели рассеяния взвесью и молекулярного рассеяния чистой водой. Сумма <г(Л)взв + <г(Л)молек = <г(Л)в есть показатель рассеяния водой. В свою очередь <Г(Л)взв = °"(Л)юв.круп + ^(Л)взв.мелк , где
0"(Л)ювкруп и <г(Л)взвмелк - показатели рассеяния крупной (органической) и
мелкой (минеральной) взвесью.
Поглощение света взвесью в формулу (1) не включено, так как считается, что оно незначительно [1].
Методика расчета
По аналогии с методиками работ [2, 3] расчеты спектрального распределения ПОС проводились от опорной длины волны. В данном случае взята длина волны 547 нм. Для нее определялись величины всех компонентов в правой части формулы (1). Значение k(547) чв бралось из работы [5].
Показатель поглощения света пигментами рассчитывался через хлорофилл по формуле k(547)хл = Схлк(547)удхл, где Схл - концентрация хлорофилла в мг/м3, k(547)удхл - удельный показатель поглощения света хлорофиллом в м2/мг [6]. По одновременным измерениям в пробах воды показателя ослабления света и концентрации хлорофилла получена следующая формула:
lg Схл = 2,036lge(547)B + 0,932. (2)
Среднеквадратическая относительная ошибка определения концентрации хлорофилла d Схл по формуле (2) составляет 20%.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 5 15
Для определения показателя рассеяния света водой <(547)в использовалась эмпирическая формула связи показателя рассеяния с показателем ослабления в океанических водах для длины волны 550 нм из работы [7]
<г(550)в = 0,944£(550)в - 0,0209 . (3)
Оценки по данным [1] показали, что поправка на спектральную изменчивость показателя рассеяния при изменении длины волны от 550 до 547 нм незначительна, и практически при расчетах можно принять <(547) в = <(550) в.
Показатель поглощения желтым веществом определялся из формулы (1) как остаточный член:
к(547)жв = £(547)в - к(547)хл - к(547)чв - <(547)в. (4)
После определения значений всех компонентов при длине волны 547 нм задавалась их спектральная изменчивость. Спектральные значения к(1)чв брались из работы [3].
Значения показателя поглощения желтым веществом на различных длинах волн рассчитывались по формуле
к(1)жв = к(547)жв exp(-M547 -1)). (5)
Параметр ¡1 при длинах волн 1 £ 490 нм принимался равным 0,019 м-1, при 1 > 490 нм 1 = 0,011 м-1 [8, 9]. Значения к(1)удхл взяты из [6].
Спектральная изменчивость показателя рассеяния света водой задавалась формулой
<7(1) в = <(547) в (547/1) п. (6)
Расчет модельных спектров, наилучшим образом отображающих экспериментальные спектры, проводился методом вариации параметра п. В первых расчетах выяснилось, что использование формулы (3) при £(547) < 0,1 м-1 не позволяет получить хорошее соответствие модели с экспериментом. Вследствие этого в дальнейших расчетах значение <(547)в, определенное в первом приближении с использованием формулы (3), тоже варьировалось. Оптимальное сочетание параметров п и <(547)в определялось методом наименьших квадратов отклонений модельного спектра от экспериментального.
Результаты и их обсуждение
Спектральный вклад компонентов морской воды в показатель ослабления направленного света в водах Средиземного моря. Для модельных расчетов взято шесть спектров ПОС, измеренных в водах, отличающихся значениями показателя ослабления и концентрации хлорофилла (табл. 1).
16
0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 5
Номер спектра
Район Средиземного моря
£(547)в
м
С
С хл'
мг/м
1 Апвеллинг у юго-восточного побережья о. Сицилия 0,308 0,78
2 Море Альборан,
пелагиаль в западной части 0,214 0,37
3 Море Альборан,
пелагиаль в центральной части 0,157 0,20
4 Ионическое море,
пелагиаль в южной части 0,092 0,07
5 Эгейское море,
пелагиаль в южной части 0,084 0,05
6 Тунисский пролив 0,054 0,02
Оптимальные значения п и <г(547)в для модельных спектров ПОС даны в табл. 2. Результаты модельных расчетов представлены в табл. 3 и 4 и на рисунке. В табл. 5 - 10 приведен спектральный вклад отдельных компонентов в общий показатель ослабления света водой, рассчитанный по модельным спектрам.
Т а б л и ц а 2 Оптимальные значения параметра пмод и показателя рассеяния <г(547) в мод для модельных спектров
Номер спектра
^(547)в
м
п..
1
2
3
4
5
6
0,277 0,184 0,128 0,064 0,056 0,026
0,5 0,5 0,5 0,6 0,7 0,8
Из табл. 4 видно, что среднеквадратическое относительное отклонение модельных спектров от экспериментальных составляет 2,3 - 7,7%. Максимальные отклонения в отдельных точках находятся в пределах 5,2 - 14,1%.
0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 5
17
Т а б л и ц а 3 Экспериментальные и рассчитанные значения показателя ослабления направленного света £(Л) в 103 м-1 для спектров в разных по прозрачности поверхностных водах Средиземного моря
Спектры Длина волны, нм
№ Тип 416 432 468 490 506 527 547 567 587 610 625 640 677
1 эксп. 392 370 325 314 310 310 308 308 337 371 390 390 447
1 мод. 388 376 342 325 315 311 308 308 325 382 387 396 457
2 эксп. 269 258 217 208 207 207 214 226 252 300 317 320 385
2 мод. 268 255 230 219 215 215 214 215 234 293 299 309 370
3 эксп. 188 183 152 148 144 152 157 162 183 233 264 262 314
3 мод. 196 184 164 156 155 157 157 160 180 239 246 256 318
4 эксп. 119 112 92 80 81 84 92 99 124 165 203 203 250
4 мод. 117 106 91 85 87 90 92 96 117 177 184 195 257
5 эксп. 112 104 77 69 74 77 84 92 118 163 190 190 246
5 мод. 109 98 82 77 79 82 84 88 109 169 176 187 249
6 эксп. 69 64 44 45 45 52 54 66 93 140 162 168 214
6 мод. 70 60 48 44 47 51 54 58 80 141 149 160 223
П р и м е ч а н и е: эксп. - экспериментальный, мод. - модельный тип спектров.
Т а б л и ц а 4
Максимальные и среднеквадратические £мод отклонения модельных спектров от экспериментальных
- 0,017 468 0,018 625 0,018 625 0,019 625 0,014 625 0,013 587
-5,2
5,7
6,9
9,4
7,4
14,1
0,008
0,011
0,008
0,005
0,005
0,007
2,3
4,2
4,1
4,3
4,3
7,7
1
2
3
4
5
6
П р и м е ч а н и е. В знаменателе приведена длина волны, при которой наблюдалось максимальное отклонение.
Параметр n, характеризующий спектральную изменчивость рассеяния света водой (табл. 2), для спектров 1 - 3, измеренных в более мутных водах,
18 ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 5
одинаковым,
n = 0,5.
мод 5
В
чистых водах он возрастает и составляет
n
мод
= 0,6 для спектра 4, пмод = 0,7 - для спектра 5, пмод = 0,8 - для спектра 6. Такая изменчивость параметра п объясняется следующими факторами.
Показатель рассеяния света водой является суммой показателей рассеяния крупной (биологической) взвесью, мелкой (минеральной) взвесью, чистой водой (молекулярное рассеяние):
а(Л\ = а(Л)
взв.круп
+ *(Л)
взв.мелк молек '
(7)
Спектральная изменчивость показателей рассеяния для отдельных компонентов, согласно моделям рассеяния света в [1], выражается формулами
а(Л) ~ Л"0'3; <г(Л) ~ Л"1'7; а(Л) ~ Л"4'3. (8)
V /взв.круп ' V /взв.мелк ' V /молек V /
В наших расчетах спектральная изменчивость показателя рассеяния света водой задана общим параметром <г(Л)в ~ Л~п. Как следует из (8), параметр п зависит от соотношения во взвеси крупной и мелкой фракций. В более чистых водах концентрация биологической взвеси меньше, вследствие чего возрастает относительное содержание мелкой фракции, а это приводит к увеличению параметра п .
Найденное в результате подбора оптимальное для моделирования спектров ПОС значение параметра <7(547)вмод (табл. 2) связано с показателем ослабления £(547)вэксп соотношением
(Т(547)в.мод = 0,98б£(547)в.эКСП - 0,027, (9)
коэффициент корреляции для данной связи г = 0,998 .
эксперимент модель
416 432 468 490 506 527 547 567 587 610 625 640 677 Длина волны, нм
Экспериментальные и модельные спектры (1 - 6) показателя ослабления направленного света в поверхностных водах Средиземного моря
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 5 19
6
5
150
1 00
0
Длина Поглощение Рассеяние е(1) в.мод -1 м
волны, нм Чистая вода Желтое вещество Хлорофилл Взвесь + молекулярное Молекулярное
416 0,5 11,8 6,0 81,7 0,6 0,388
432 0,6 9,0 7,5 82,9 0,5 0,376
468 1,3 5,0 6,2 87,5 0,4 0,342
490 2,0 3,5 4,5 90,0 0,3 0,325
506 3,6 3,0 2,2 91,2 0,3 0,315
527 5,9 2,4 1,1 90,6 0,3 0,311
547 7,5 1,9 0,8 89,8 0,3 0,308
567 9,4 1,6 0,7 88,3 0,2 0,308
587 16,0 1,2 0,7 82,1 0,2 0,325
610 30,1 0,8 0,6 68,5 0,1 0,382
625 31,9 0,6 0,6 66,9 0,1 0,387
640 34,1 0,6 0,6 64,7 0,1 0,396
677 43,6 0,3 1,7 54,4 0,1 0,457
Т а б л и ц а 6
Спектральный вклад (%) компонентов морской воды в показатель ослабления направленного света для спектра 2 при Схл = 0,37 мг/м3
Длина волны, нм Поглощение Рассеяние е(1) в.мод , -1 м
Чистая вода Желтое вещество Хлорофилл Взвесь + молекулярное Молекулярное
416 0,7 16,5 4,1 78,7 0,9 0,268
432 0,9 12,8 5,3 81,0 0,8 0,255
468 2,0 7,2 4,4 86,4 0,6 0,230
490 3,0 5,0 3,2 88,8 0,5 0,219
506 5,4 4,2 1,5 88,9 0,5 0,215
527 8,6 3,4 0,7 87,3 0,4 0,215
547 10,8 2,7 0,5 86,0 0,4 0,214
567 13,5 2,2 0,4 83,9 0,3 0,215
587 22,2 1,6 0,4 75,8 0,3 0,234
610 39,2 1,0 0,4 59,4 0,2 0,293
625 41,2 0,8 0,4 57,6 0,1 0,299
640 43,8 0,7 0,4 55,1 0,1 0,309
677 53,9 0,4 1,0 44,7 0,1 0,370
20
ТББН 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 5
Длина волны, нм Поглощение Рассеяние е(1)в.мод , -1 м
Чистая вода Желтое вещество Хлорофилл Взвесь + молекулярное Молекулярное
416 1,0 21,4 3,0 74,6 1,2 0,196
432 1,2 16,8 4,0 78,0 1,1 0,184
468 2,7 9,5 3,4 84,4 0,9 0,164
490 4,2 6,6 2,4 86,8 0,7 0,156
506 7,4 5,5 1,2 85,9 0,6 0,155
527 11,8 4,4 0,6 83,2 0,6 0,157
547 14,7 3,5 0,4 81,4 0,5 0,157
567 18,2 2,8 0,4 78,6 0.4 0,160
587 29,0 1,9 0,3 68,8 0,3 0,180
610 48,0 1,2 0,3 50,5 0,2 0,239
625 50,1 0,9 0,2 48,8 0,2 0,246
640 52,8 0,8 0,2 46,2 0,2 0,256
677 62,8 0,4 0,6 36,2 0,1 0,318
Т а б л и ц а 8
Спектральный вклад (%) компонентов морской воды в показатель ослабления направленного света для спектра 4 при С хл = 0,07 мг/м3
Длина волны, нм Поглощение Рассеяние е(1) в.мод , -1 м
Чистая вода Желтое вещество Хлорофилл Взвесь + молекулярное Молекулярное
416 1,6 32,5 1,8 64,1 2,0 0,117
432 2,1 26,4 2,4 69,1 1,9 0,106
468 4,9 15,8 2,1 77,2 1,5 0,091
490 7,6 11,0 1,5 79,9 1,3 0,085
506 13,3 9,1 0,7 76,9 1,1 0,087
527 20,5 6,9 0,3 72,3 1,0 0,090
547 25,1 5,4 0,2 69,3 0,9 0,092
567 30,4 4,3 0,2 65,1 0,7 0,096
587 44,6 2,8 0,2 52,4 0,5 0,117
610 64,9 1,4 0,1 33,6 0,3 0,177
625 66,9 1,1 0,1 31,9 0,2 0,184
640 69,3 0,9 0,1 29,7 0,2 0,195
677 77,4 0,5 0,3 21,8 0,1 0,257
0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 5 21
Длина волны, нм Поглощение Рассеяние
Чистая вода Желтое вещество Хлорофилл Взвесь + молекулярное Молекулярное в.мод -1 м
416 1,7 34,9 1,4 62,0 2,1 0,109
432 2,3 28,7 1,8 67,2 2,0 0,098
468 5,5 17,3 1,7 75,5 1,7 0,082
490 8,4 12,2 1,3 78,1 1,4 0,077
506 14,6 10,0 0,5 74,9 1,3 0,079
527 22,5 7,5 0,2 69,8 1,1 0,082
547 27,5 6,0 0,1 66,4 1,0 0,084
567 33,1 4,6 0,1 62,2 0,8 0,088
587 47,9 2,9 0,2 49,0 0,6 0,109
610 67,9 1,5 0,1 30,5 0,3 0,169
625 69,9 1,2 0,1 28,8 0,2 0,176
640 72,2 1,0 0,1 26,7 0,2 0,187
677 80,0 0,5 0,2 19,3 0,1 0,249
Т а б л и ц а 10
Спектральный вклад (%) компонентов морской воды в показатель ослабления направленного света для спектра 6 при С хл = 0,02 мг/м3
Длина волны, нм Поглощение Рассеяние
Чистая вода Желтое вещество Хлорофилл Взвесь + молекулярное Молекулярное в.мод -1 м
416 2,7 50,0 0,9 46,4 3,3 0,070
432 3,6 42,9 1,2 52,3 3,3 0,060
468 9,4 27,4 1,0 62,2 2,9 0,048
490 14,7 19,5 0,9 64,9 2,5 0,044
506 24,6 15,4 0,4 59,6 2,1 0,047
527 36,1 11,1 0,2 52,6 1,8 0,051
547 42,8 8,5 0,2 48,5 1,5 0,054
567 49,7 6,3 0,2 43,8 1,2 0,058
587 65,1 3,8 0,1 31,0 0,8 0,080
610 81,3 1,6 0,1 17,0 0,4 0,141
625 82,8 1,3 0,1 15,8 0,3 0,149
640 84,4 1,1 0,1 14,4 0,2 0,160
677 89,5 0,5 0,1 9,9 0,1 0,223
22 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 5
Расчеты по модельным спектрам, представленные в табл. 5 - 10, показывают вклад отдельных компонентов морской воды в суммарный показатель ослабления света в различных водах Средиземного моря. Отметим общие закономерности.
1. В коротковолновой области спектра 416 - 547 нм во всех водах основной вклад в показатель ослабления света вносит взвесь. Ее максимальный вклад в общее ослабление приходится на область спектра 490 - 506 нм, где он составляет 64,9% (1 = 490 нм) в наиболее чистых водах (спектр 6) и 91,2% (1 = 506 нм) - в мутных водах (спектр 1).
2. Желтое вещество дает максимальный вклад в показатель ослабления света в крайней коротковолновой области спектра. На длине волны 416 нм он составляет 11,8% в мутных водах (спектр 1) и 50% - в наиболее чистой воде (спектр 6). В области длин волн 1 > 567 нм вклад желтого вещества во всех водах менее 6,3%.
3. Чистая вода вносит существенный вклад в ослабление света в средней и длинноволновой областях спектра. Ее вклад 14,7% в наиболее прозрачной морской воде (спектр 6) наблюдается уже при 1= 490 нм, он возрастает до 89,5% при 1 = 677 нм.
4. Вклад хлорофилла в ослабление света максимален при 1= 432 нм, в целом во всех водах он невелик - 7,5% (спектр 1) и 1,2% (спектр 6).
5. Молекулярное рассеяние света водой вносит ощутимый вклад лишь в наиболее чистой воде (спектр 6), 1,2 - 3,3% в области длин волн 416 - 567 нм.
Вышеуказанные закономерности спектрального вклада компонентов в ослабление света в водах Средиземного моря подобны сформулированным в работе [1] по результатам моделирования спектрального распределения показателя ослабления света в водах Индийского и Тихого океанов.
В табл. 11 для сравнения приведены результаты моделирования спектрального распределения ПОС и вклад в ослабление света отдельных компонентов для поверхностных прибрежных вод Средиземного моря и вод Тихого океана по модельным расчетам в работе [1, табл. 8.12]. Сравнение показывает близкий порядок величин спектрального вклада в ПОС для всех компонентов. Важным моментом является факт, что в сравниваемых водах при практически одинаковых спектральных величинах параметра «вероятность выживания фотона» (относительный вклад рассеяния в ПОС) одинаково положение его максимума на длине волны 510 нм.
0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 5
23
Таблица 11
Спектральный вклад компонентов морской воды в показатель ослабления направленного света (модельные расчеты) в прибрежных поверхностных водах Средиземного моря (настоящая работа) и Тихого океана |2|
Длина волны, нм Поглощение Рассеяние Поглощение Рассеяние
Чистая вода Желтое вещество Хлорофилл Взвесь + молекулярное м-1 Чистая вода Желтое вещество Хлорофилл Взвесь + молекулярное в.мод ' м-1
Средиземное море (около о. Сицилия), Схл = 0,78 мг/м3, спектр 1 Тихий океан (прибрежные воды), С^ =0,51 мг/м3
430 0,6 9,5 7,4 82,5 0,378 1,0 12,0 5,0 82,0 0,330
470 1,4 4,9 6,0 87,7 0,340 0,7 8,0 5,0 88,0 0,295
510 4,0 3,1 2,0 90,9 0,323 2,0 5,0 1,4 92,0 0,265
550 7,8 1,8 0,8 89,6 0,308 6,0 3,0 0,5 91,0 0,261
590 17,8 1,2 0,7 80,3 0,332 21,0 1,0 0,5 77,0 0,295
670 41,2 0,3 1,5 57,0 0,444 40,0 0,3 2,5 58,0 0,369
Фоновое желтое вещество в водах Средиземного моря. В работе [10] для вод Черного моря получена формула связи показателя рассеяния света водой с показателем ослабления для длины волны 525 нм
<г(525)в = 0,98е(525)в -0,0315, (10)
выяснено, что дает формула (10) в предельном случае, когда в воде отсутствует всякая взвесь - и минеральная, и органическая, т. е. <г(525)взв = 0.
В этом случае <г(525)в = <т(525)молек, к(525)хл = 0 и показатель ослабления света водой, согласно (1), равен
е(525)в = г(525)Жв.фОН + к(525)чв + <(525^. (11)
Из формул (10) и (11) следует
к(525)жв.фон = [^(525)моЛеК + 0,0315]/0,98-<(525^ -^(525^. (12)
Параметр к(525)жвфон в [10] назван фоновым показателем поглощения света желтым веществом, являющимся минимальным для данного водоема.
То есть СТОТ^ТС^ что к(1)жв = к(1)жв.фон + к(1)жв.пер , где к(1)жв.фон - ф°-
новая (постоянная) составляющая показателя поглощения света желтым веществом в водоеме, на которую накладывается переменная составляющая к(1)жвпер , связанная с переменной концентрацией фитопланктона и других
растительных организмов, при отмирании которых образуется желтое вещество. Так как в рассматриваемом предельном случае органическая взвесь отсутствует, то к(1)жв.пер = 0 . ПокаЗатели поглощения к(1)жв.фон и к(1)жв.пер ,
очевидно, связаны с консервативной и неустойчивой фракциями желтого вещества, образующимися при разложении органической взвеси в данном водоеме, а также приносимыми в него с водами рек. При этом в результате выноса желтого вещества с суши реками и действия биохимических процессов преобразования органического вещества, протекающих в данном водоеме, содержание консервативной фракции желтого вещества находится на некотором характерном уровне. Очевидно, в связи с сезонной и межгодовой изменчивостью биогеохимических процессов преобразования органического вещества этот фоновый уровень содержания желтого вещества может изменяться. Однако о его возможных временных изменениях данных пока нет. В связи с этим значение к(1)жвфон, определяемое по формуле (12), будем условно считать постоянным и минимальным для водоема в данный временной период. Подстановка в формулу (12) значений <(525)молек и к(525)чв из работ
[5, 11] дает для вод Черного моря к(525)жвфон = 0,014 м-1. В пересчете на длину волны 550 нм при параметре спектральной изменчивости желтого вещества т = 0,011 получается, что к(550)жвфон = 0,0106 м-1.
0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 5
25
Используя такой же подход к формуле (9), находим для Средиземного моря k(547)жвфон = 0,0043 м-1, для длины волны 550 нм
к(550)жвфон = 0,00416 м-1. То есть фоновая концентрация желтого вещества
в Средиземном море намного меньше, чем в Черном. Такое соотношение можно объяснить тем, что основным источником желтого вещества в море, согласно работе [12], являются воды впадающих в него рек. Удельный речной сток (на единичную площадь водоема) в Черное море намного больше, чем в Средиземное.
Для сравнения приведем фоновую величину показателя поглощения желтым веществом для оз. Байкал и Балтийского моря. В работе [2] для вод Байкала получена формула
<г(480)в = 0,93e (480)в - 0,026. (13)
С учетом этой формулы к(480)жвфон = 0,0225 м-1. Пересчет на длину волны 550 нм дает k(550) жвфон = 0,0096 м-1.
Для вод Балтийского моря в [13] получена формула связи
<г(555)в = 0,9393е(555)в - 0,0336 . (14)
Согласно этой формуле, для длины волны 550 нм к(550)жвфон = 0,0105 м-1.
При расчете к(550)жвфон для океанических вод по формуле связи из работы [7] <г(550)в = 0,944е(550)в — 0,0209 получается отрицательное значение этого параметра, к(550)жвфон = —0,0024 м-1. Какова причина такого результата, неясно.
В работе [7] есть данные одновременных измерений <г(550)в и e(550)в из [14, 15]. Всего проведено 13 измерений - в океанических водах типа 1 и 2 (Case 1 и Case 2 по классификации Мореля), а также в прибрежных водах. Показатель ослабления е(550)в изменялся в диапазоне 0,091 - 1,71 м-1. Расчет по этим измерениям дает следующую формулу связи (коэффициент корреляции r = 0,998):
<г(550) в = 0,949e(550) в — 0,0314. (15)
Для данной связи в океанических водах при длине волны 550 нм к(550)Жв.фОН = 0,0086 м-1.
В табл. 12 приведены значения k(550) жвфон для разных водоемов, а также фоновые концентрации желтого вещества Сжв фон. Для расчета использовались данные работы [16], в которой была измерена концентрация желтого вещества и определен его показатель поглощения k(450) жв. Согласно [16], удельный показатель поглощения желтым веществом k(450)уджв составил 0,0922 м2/г. Зная k(450) жв, можно определить концентрацию желтого вещества:
Сжв = к(450)жв /k(450)уд жв. (16)
26
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 5
Для использования формулы (16) значения к(550) жвфон были пересчитаны на длину волны 450 нм.
Т а б л и ц а 12
Фоновое значение показателя поглощения света желтым веществом и его концентрация в разных водоемах
Водоем
k(550)
жв.фон :
м
С.
жв.фон :
г/м3
Средиземное море (настоящая работа)
Океанические воды [14, 15]
Озеро Байкал [2]
Балтийское море [13]
Черное море [10]
0,0042 0,0086 0,0096 0,0105 0,0106
0,19 0,38 0,43 0,47 0,48
Выводы
1. Рассчитаны модельные спектры показателя ослабления направленного света (область длин волн 416 - 677 нм) в поверхностных водах Средиземного моря. Среднеквадратическое относительное отклонение модельных спектров от экспериментальных, рассчитанных для вод разной прозрачности, составило 2,3 - 7,7%.
2. По модельным спектрам рассчитан вклад оптически активных компонентов морской воды (взвесь, желтое вещество, пигменты фитопланктона, чистая вода) в показатель ослабления направленного света в разных по прозрачности водах Средиземного моря.
3. Для поверхностных вод Средиземного моря установлена формула связи показателя рассеяния света с показателем ослабления на длине волны 547 нм.
4. Определен фоновый показатель поглощения желтым веществом в водах Средиземного моря. Проведено его сравнение с аналогичным показателем в других водоемах - Черном море, оз. Байкал, Балтийском море, океанических водах. В Средиземном море фоновый показатель поглощения желтым веществом наиболее низкий.
Автор благодарит старшего научного сотрудника ИнБЮМ НАН Украины Г.П. Берсеневу, проводившую в экспедиции определения концентрации хлорофилла, за предоставленные данные для установления связи содержания хлорофилла с показателем ослабления света.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 5
27
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Копелевич О.В. Малопараметрическая модель оптических свойств морской воды // Оптика океана. Т. 1. Физическая оптика океана / Под ред. А.С. Монина. - М.: Наука, 1983. - С. 208 - 234.
2. Маньковский В.И., Шерстянкин П.П. Спектральная модель показателя ослабления направленного света в водах озера Байкал в летний период // Морской гидрофизический журнал. - 2007. - № 6. - С. 39 - 46.
3. Mankovsky V.I., Mankovskaya E.V. Spectral model of beam attenuation coefficient in the Black Sea waters // Proc. of V International Conference «Current Problems in Optics of Natural Waters». - St. Petersburg: D.S. Rozhdestvensky Optical Society, 2009. - P. 219 - 223.
4. Маньковский В.И., Кайгородов М.Н. Лабораторный автоколлимационный прозрачномер с переменной базой // Автоматизация научных исследований морей и океанов. 5-я Всесоюзная школа. - Севастополь: МГИ АН УССР, 1980. - С. 91 - 92.
5. Pope R.M., Fry E.S. Absorption spectrum (380-700 nm) of pure water. II Integration cavity measurements // Appl. Optics. - 1997. - 36, № 33. - P. 8710 - 8723.
6. Карабашев Г.С. Пигменты фитопланктона // Оптика океана. Т. 1. Физическая оптика океана / Под ред. А.С. Монина. - М.: Наука, 1983. - С. 163 - 166.
7. Левин И.М., Копелевич О.В. Корреляционные соотношения между первичными гидрооптическими характеристиками в спектральном диапазоне около 550 нм // Океанология. - 2007. - 47, № 3. - С. 374 - 379.
8. Carder K.L., Steward R.G., Harvey G.R. et al. Marine humic and fulvic acids: Their affects on remote sensing of ocean chlorophyll // Limnol. Oceanogr. - 1989. - 34, № 1. - P. 68 - 81.
9. Копелевич О.В., Люцарев С.В., Родионов В.В. Спектральное поглощение света «желтым веществом» океанской воды // Океанология . - 1989. - 29, № 3. - С. 409 - 414.
10. Маньковский В.И. Вероятность выживания фотона и ее связь с показателем ослабления направленного света в водах Черного моря // Морской гидрофизический журнал. -2005. - № 6. - C. 68 - 75.
11. Копелевич О.В. Факторы, определяющие оптические свойства морской воды // Оптика океана. Т. 1. Физическая оптика океана / Под ред. А.С. Монина. - М.: Наука, 1983. -С. 150 - 163.
12. Hojerslev N.K. On the origin of yellow substance in the marine environment // Stud. Phys. Oceanogr. - Copenhagen: Kobenhavns Universitet, Institut for Fysisk Oceanografi, 1980. -№ 42. - P. 39 - 56.
13. Levin I., Darecki M., Sagan S. et al. New Baltic Sea data on relationships between inherent optical properties at 550 nm // Proc. of V International Conference «Current Problems in Optics of Natural Waters». - St. Petersburg: D.S. Rozhdestvensky Optical Society, 2009. -P. 162 - 165.
14. Morel A., Prieur I. Analysis of variation in ocean color // Limnol. Oceanogr. - 1977. - 22, № 4. - P. 709 - 722.
15. Schoonmaker J.S., Hammond R.R., Heath A.L. et al. A numerical model for prediction of sublittoral optical visibility // Ocean Optics XXII. - Bergen: Soc. Photo-Optic. Instrument. Engin., 1994. - 2258. - P. 685 - 702.
28
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн, 2011, № 5
16. Nyquist G. Investigation of some optical properties of sea water with special reference to lig-nin sulfonates and humic substances // Thes. Dep. Anal. Mar. Chem. - Gotheburg, 1979. -P. 200.
Морской гидрофизический институт НАН Украины, Материал поступил
Севастополь в редакцию 02.04.10
После доработки 15.06.10
АНОТАЦ1Я Розраховш модельш спектри показника ослаблення спрямованого св^ла в повер-хневих водах Середземного моря. За ними визначений внесок компонента морсько! води (су-спензiя, жовта речовина, тгменти ф^опланктону, чиста вода) в показник ослаблення спрямованого св^ла в рiзних водах моря. Для поверхневих вод установлена формула зв'язку показника розЫяння св^ла з показником ослаблення на довжиш хвилi 547 нм. Визначена фонова (гранична мшмальна) величина показника поглинання жовтою речовиною у водах Середземного моря. Проведене його порiвняння з аналопчним показником в шших водоймищах: Чор-ному морi, озерi Байкал, Балтiйському морi, океанiчних водах.
Ключовi слова: показник ослаблення, суспензiя, хлорофiл, жовта речовина.
ABSTRACT Model spectra of the beam attenuation coefficient for the Mediterranean Sea surface waters are calculated. Based on the spectra, the contribution of seawater components (suspended matter, yellow substance, phytoplankton pigments, pure water) to the beam attenuation coefficient in various types of seawater is defined. The formula of relation between the beam scattering coefficient and the beam attenuation coefficient on 547 nm for surface water is found. The background (limiting minimum) value of the yellow substance absorption coefficient for the Mediterranean Sea waters is defined. It is compared with the analogous parameter in other basins - the Black Sea, the Baikal Lake, the Baltic Sea, oceanic waters.
Keywords: attenuation coefficient, suspended matter, chlorophyll, yellow substance.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 5
29
