CC BY
16
УДК 551.463.5
В.И. Маньковский
Структура взвеси в озере Байкал по измерениям индикатрис рассеяния света
По индикатрисам рассеяния света, измеренным в оз. Байкал, рассчитаны характеристики взвеси: массовая концентрация и численность частиц минеральной и биологической фракций, их средний радиус, параметр дисперсности минеральных частиц. Получены данные о вертикальном распределении характеристик взвеси в разных районах озера в летний период. Проведено сравнение характеристик взвеси в зонах подъема и опускания вод в оз. Байкал и Индийском океане, показавшее ее одинаковый специфический состав.
Ключевые слова: индикатриса рассеяния, обратные задачи, взвесь.
Введение
Индикатрисы рассеяния света содержат информацию о параметрах дисперсной среды, которые можно определить, решая обратные задачи светорассеяния. Процедура обращения характеристик светорассеяния упрощается при решении так называемых ограниченных обратных задач [1]. При решении таких задач используют показатели рассеяния света в данном направлении о(в), содержащие информацию о концентрации частиц в воде. Выбор оптимальных углов в зависит от размера частиц - чем больше их радиус, тем меньше этот угол.
В работе приводятся результаты определения характеристик взвеси в водах оз. Байкал, полученных по измерениям индикатрис рассеяния света с использованием формул для обратных задач из работ [2, 3].
Время и районы измерений
Измерения индикатрис рассеяния света на оз. Байкал были выполнены в 1979 г. во время экспедиции на НИС «Г.Ю. Верещагин», проведенной Лимнологическим институтом (СО АН СССР, г. Иркутск) совместно с Морским гидрофизическим институтом (МГИ АН УССР, г. Севастополь). В период 11 июля - 1 августа экспедицией выполнено 20 станций на основном разрезе, проходившем по средней линии озера, ряд станций на поперечных разрезах через озеро и 3 станции на разрезе через пролив Малое море. На рис. 1 показано расположение станций, на которых измерялись индикатрисы рассеяния света.
© В.И. Маньковский, 2011 14
0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 3
Р и с. 1. Положение станций, на которых проводились измерения индикатрис рассеяния света
Состояние вод озера
Гидрологическая ситуация в оз. Байкал в период наблюдений была неоднородной. В Южном и Среднем Байкале, в Малом море и в небольшой части Северного Байкала, около устья р. Верхняя Ангара, поверхностные слои уже были значительно прогреты и хорошо стратифицированы. Толщина прогретого слоя с температурой воды выше 6°С составляла 10 - 15 м. Наиболее прогретыми, до 15°С на поверхности, были воды в районе устья р. Селенги. Поступая в озеро, они обусловили этот локальный максимум. Холодной и слабо стратифицированной оставалась большая часть северной котловины озера. В соответствии со степенью прогрева воды в разных фазах развития находился фитопланктон: его концентрация значительно возрастала в прогретых водах, что отражалось на оптических характеристиках вод. На рис. 2 показано распределение по осевой линии озера температуры воды на поверхности, прозрачности воды по белому диску и концентрации хлорофилла на глубине 0 м. В Малом море эти показатели составили: на ст. М1 Z а = 7 м, Сбё = 1,41 мг/л; на ст. М2 и М3 Zа = 6 м.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 3 15
18
16
14
12
£ 10
8
6----
4----
2 Д 0--
..............Д—А | | |
1 2 3 4 5 6 6' 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Номера станций
Р и с. 2. Распределение характеристик поверхностных слоев воды на продольном разрезе через озеро
Р и с. 3. Схема циркуляции вод в поверхностном слое (0 - 25 м) в период измерений 16 ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн, 2011, № 3
На рис. 3 приведена схема циркуляции вод в озере в период наблюдений, составленная сотрудником Лимнологического института М.Н. Шимараевым на основе анализа распределения температуры воды. При общей циклонической циркуляции, охватывающей все озеро, в разных районах имелись локальные циклонические вихри. Особенно они были развиты в северной части Байкала.
Аппаратура и методика измерений
Измерения индикатрис рассеяния света проводились нефелометром, разработанным в отделе оптики Морского гидрофизического института [4]. Технические характеристики образца, использованного в измерениях на оз. Байкал, следующие.
Углы измерений, град Расходимость пучка света, град Угол зрения фотоприемника, град Спектральная область измерений, нм Погрешность измерений о(в), % Время измерения индикатрисы, мин Глубина погружения, м Режим работы
2; 7,5; далее через 5 до 162,5 1,07 1,07 520 ± 40 10 7 250
Автоматический
Измерения индикатрис выполнялись на глубинах 5, 25, 50, 150 м. На каждой глубине индикатриса измерялась 2 - 4 раза, для расчетов брались средние значения.
Необходимые для расчетов по формулам из работ [2, 3] показатели рассеяния на углах менее 2° находились путем экстраполяции индикатрисы в эту
область по формуле \%а{&) = A + Bв + Cв2. Для этого использовались три экспериментальные точки: <г(2°), <г(7,5°), <г(12,5°).
Показатели рассеяния в настоящей работе приводятся при десятичном основании.
Расчетные формулы
Работа [2]. В данной работе проводилось обращение индикатрис рассеяния в морской воде с использованием для крупной взвеси метода малых углов, для мелкой взвеси - метода подбора по моделям рассеяния частицами с
распределением их численности по закону Юнге Niä ~ r~г. Взвесь разбита на три фракции с радиусами частиц: r = 0,2 — 0,5 мкм (минеральные), r = 0,5 —1,0 мкм (минеральные), r > 1,0 мкм (органические). Для длины волны 546 нм получены параметры регрессии между угловыми показателями рассеяния о(в) и содержанием частиц y : y = mo(ß) + n .
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 3 17
При расчетах весовой концентрации для минеральных частиц плотность принималась равной 2 г/см3, для органических - 1 г/см3. Оптимальные коэффициенты регрессии m, п и среднеквадратические относительные ошибки 6у приведены в табл. 1.
Т а б л и ц а 1
Оптимальные значения коэффициентов регрессии у = то(0) + п
Радиус частиц г, мкм Угол рас-сеива-ния 0° Численность частиц N, млн. шт./л Массовая концентрация С, мг/л
т п SN т п 6С
0,2 - 0,5 1,0 6,9-104 -1,0 0,29 2,05-104 -3,0 0,16
0,5 -1,0 6,0 21,9 0,2 0,14 55,3 0,5 0,14
> 1,0 45,0 0,46 0,3 0,35 27,6 16,0 0,20
Работа [31. Формулы для определения параметров взвеси получены по расчетам модельных индикатрис рассеяния морской взвесью. Численность мелких (минеральных) частиц с радиусами 0,2 - 1,0 мкм задавалась распределением Юнге ~ г~у с параметром дисперсности у = 2,5 - 6,0. Распределение численности крупных (биологических) частиц описывалось логарифмически-нормальным законом.
В результате расчетов индикатрис рассеяния при различном составе взвеси для длины волны 546 нм применительно к обеим фракциям взвеси получено общее соотношение
х = A{B -\в[о(0)/о(02)]|Р + C\в[о(0)/о(02)] + D, (1)
которое позволяет в зависимости от коэффициентов A, B, C , D, Р по измеренным значениям о(0 = 15°) и о(02 = 90°) определить параметр дисперсности у и объемную концентрацию мелких частиц, а по измеренным значениям о(д1 = 0,5°) и о(02 = 2,0°) - средний размер крупных частиц и их объемную концентрацию. При пересчете объемной концентрации взвеси в весовую плотность вещества минеральных частиц принята равной 2 г/см3, биологических - 1 г/см3.
Коэффициенты формулы (1) определяются по специальной таблице для двух ситуаций в зависимости от величины параметра ^[о(15°)/а"(90°)].
Ошибки определения параметров взвеси (методическая плюс приборная), рассчитанные в [3] с учетом погрешности оптических измерений 10%, составляют: параметр у - в пределах 10 - 20%; объемная концентрация мелкой взвеси
Сш - до 30%; объемная концентрация крупной взвеси С4Й и средний радиус
частиц при < г4й > менее 10 мкм - до 30%, при < г4й > более 10 мкм - до 60%.
18
ТББН 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 3
Параметр распределения g, определенный по формуле (1), позволяет рассчитать средний радиус частиц мелкой взвеси < riä >, используя принятые в модели пределы изменения их радиусов: rmin = 0,02 мкм, rmax = 2,0 мкм. Расчеты ведутся по формуле
< % >=[(g—1)кг—2)](rm—g—rmno/oi—g—rmg). (2)
Валидация расчетных формул
Расчетные формулы в работах [2, 3] получены для длины волны 546 нм. Измерения индикатрис рассеяния света нефелометром проводились в спектральной области 520 ± 40 нм. В связи с этим необходимо было выяснить, как будут «работать» расчетные формулы применительно к данному нефелометру. Для этого было проведено сопоставление результатов, полученных оптическим и весовым методами.
Для определения концентрации взвеси весовым методом одновременно с измерением индикатрис на тех же глубинах отбирались пробы воды. Анализ проб весовым методом был выполнен сотрудником Лимнологического института Е.Н. Тарасовой. По результатам измерений в 25 пробах, концентрация взвеси в которых изменялась в пределах = 0,40 —1,25 мг/л, было рассчитано отношение Km = Nm /: по формулам из работы [2] Еi(M = 1,058 , по формулам из [3] Еi(M = 1,093 . Вследствие незначительной разницы в данных, полученных оптическим и весовым методами, было решено коррекцию оптических данных не проводить.
С учетом валидации расчетных формул в настоящей работе для определения массовой концентрации и численности частиц разных фракций использовались формулы из работы [2]. По формулам из работы [3] определялся средний радиус крупных и мелких частиц и параметр g дисперсности мелких частиц.
Результаты и их обсуждение
Массовая концентрация взвеси. На рис. 4 - 6 показано распределение на продольном разрезе через оз. Байкал суммарной концентрации взвеси и относительного содержания в ней мелких фракций на глубинах 5, 25, 150 м.
На глубине 5 м наблюдались наиболее высокие значения концентрации суммарной взвеси: Cft6i5i = 0,29 — 1,53 мг/л. Минимальные значения зарегистрированы в холодных водах северной части Байкала, максимальные - в прогретых водах южной и средней частей, в которых происходило цветение планктона. Концентрация взвеси тесно коррелировала с температурой воды на поверхности. Количественно это выразилось формулой Cft6i5i = 0,1Г1,028 , коэффициент корреляции R = 0,786.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 3 19
и
1,6 1,4 1,2
ш Л
03 1
и со
к
I 0,8
ГО '
10,6-^ I 0,4
СР
то
Л 0,2------
о
0 -,—
1 2 3 4 5 6 6' 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Номера станций
Р и с. 4. Распределение на продольном разрезе через озеро суммарной концентрации взвеси на разных глубинах
-в—5 м
-в—25 м
-Л—150 м
о о
5 —
ГО :>
о *
К т
^ 9
^ ™
(0 о
£Р О
0,35
0,3
0,25
0,2
I 5
ш о
и я>
§ 8 0,15
к 5
¿а %
Т* /-ч
0,1
ш
0,05
1 2 3 4 5 6 6' 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Номера станций
Р и с. 5. Распределение на продольном разрезе через озеро относительной концентрации во взвеси фракции с радиусами частиц 0,2 - 0,5 мкм
0
20
/ББМ 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 3
—е— 5 м —в— 25 м —Л— 150 м
0,6 1-
5 ° 0,5
га ср
0,4
0,3
0,2
0,1
1 2 3 4 5 6 6' 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Номера станций
Р и с. 6. Распределение на продольном разрезе через озеро относительной концентрации во взвеси фракции с радиусами частиц менее 1 мкм
На глубине 25 м концентрация взвеси в целом была значительно меньше, чем на глубине 5 м: Сп6!25! = 0,26-1,09 мг/л. Концентрации взвеси на глубине 5 и 25 м коррелировали слабо.
На глубине 150 м концентрация взвеси на большинстве станций была менее 0,5 мг/л (минимальная величина 0,19 мг/л). Только на ст. 7 - 9 она была выше 0,5 мг/л, максимальное значение Сп( 1501 = 0,85 мг/л наблюдалось на ст. 8.
По данным Е.Н. Тарасовой, микроскопический анализ взвеси на фильтрах в пробах с глубин 5 и 150 м на ст. 8, выполненный гидробиологами Лимнологического института, показал наличие в обоих случаях большого количества створок диатомовой водоросли synedra. То есть повышенная концентрация взвеси на глубине 150 м на ст. 8 может быть объяснена обильным цветением в поверхностных прогретых водах водоросли synedra, оболочки которой при осаждении не успевали полностью разрушиться, создавая в глубинных слоях повышенную концентрацию взвеси.
Очевидно, таким же цветением synedra в поверхностных водах можно объяснить высокую концентрацию взвеси на глубине 150 м на соседних станциях 7 и 9.
Обилие клеток synedra имелось во взвеси с глубин 10 и 50 м на ст. 10. Концентрация взвеси на этих глубинах составила Сп6ПМ = 1,53 мг/л,
С
по1.501
= 1,05 мг/л. Однако такой же, как на ст. 8 и 9, повышенной концен-
трации взвеси на глубине 150 м здесь не наблюдалось, она составила
С
по!. 1501
= 0,30 мг/л.
0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 3
21
0
На ст. 10 были проведены измерения индикатрис в пробах воды, взятых с глубин 500 и 1000 м. Концентрация взвеси в этих пробах была значительно выше, чем на глубине 150 м: СЙ6.50М = 0,53 мг/л, СЙ6П00М = 0,69 мг/л. В
пробах, взятых повторно с этих глубин, весовым методом были получены значения такого же порядка: СЙ6150М = 0,45 мг/л, СЙ6П00М = 0,85 мг/л.
По данным о рассеянии света, во взвеси на глубинах 500 и 1000 м преобладала органическая фракция, относительное содержание которой —ж /—й(
составляло: на глубине 500 м - 0,91, на глубине 1000 м - 0,87.
Микроскопический анализ осадков на фильтрах дал следующую характеристику: на глубине 500 м - фон минеральный, остатки клеток диатомовых (рупвФа, melosira), на глубине 1000 м - аморфный осадок.
Такой эффект в вертикальном распределении взвеси объясняется наличием в озере на больших глубинах слоев с пониженной прозрачностью, содержащих большое количество взвешенных частиц, состоящих из остатков био-ты и продуктов ее жизнедеятельности. Подобные слои наблюдались визуально при погружениях в Байкале на глубоководных аппаратах «Пайсис» и «Мир». Взвесь в этих слоях в свете прожектора выглядит как мелкие снежинки, поэтому она получила название «лимнический снег». Глубоководные слои пониженной прозрачности фиксировались также инструментально при измерениях вертикального распределения показателя ослабления направленного света [5].
Относительное содержание минеральной фракции в суммарной взвеси = —ш /—ш на разных глубинах колеблется в широких пределах - от
0,09 до 0,51. Определенной связи с концентрацией взвеси на глубине 5 м не наблюдается. В среднем этот параметр с увеличением глубины уменьшается. Исключение составляет ст. 16, на которой наблюдалась обратная картина. Эта станция, согласно схеме циркуляции вод в период наблюдений, находилась в зоне опускания вод. Аналогичная картина, по данным [3], наблюдалась в зоне опускания вод в Индийском океане, о чем более подробно будет сказано ниже.
В табл. 2 приведены средние значения СЙИ(М на продольном разрезе.
Т а б л и ц а 2
Относительное содержание в суммарной взвеси минеральной фракции
Глубина H, м <Смин. отн>
Все станции разреза, кроме ст. 16 Станция 16
5 25 150 0,38 0,32 0,20 0,28 0,38 0,45
Численность частиц. Распределение на продольном разрезе численности частиц в разных ее фракциях представлено на рис. 7 - 9. Численность биоло-
22 ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 3
гических частиц на всех глубинах тесно коррелирует с распределением суммарной взвеси. Довольно тесная корреляция с суммарной взвесью на глубинах 5 и 25 м наблюдается и в численности минеральных частиц. На глубине 150 м согласованное изменение численности минеральных частиц и концентрации взвеси наблюдалось лишь на ст. 1 - 6, на других станциях связь практически отсутствовала.
—е— 5 м —в— 25 м —&— 150 м
Номера станций
Р и с. 7. Распределение на продольном разрезе через озеро численности биологических частиц с радиусами более 1 мкм
В табл. 3 приведены данные для разных глубин о средней численности частиц и их относительном содержании в единичной концентрации взвеси.На всех глубинах основная численность частиц приходится на самую мелкую фракцию взвеси с радиусами 0,2 - 0,5 мкм. У биологической и минеральной фракций наблюдается разная закономерность изменчивости с глубиной относительной численности частиц на единичную концентрацию взвеси: для биологических частиц она увеличивается, для минеральных - уменьшается.
Т а б л и ц а 3
Численность частиц разных фракций и относительное содержание биологических и минеральных частиц в единичной концентрации взвеси
H, м <^ио>, млн.шт./л <NraH(0,5 - 1,0)>, млн.шт./л <N«^(0,2 - 0,5)>, млн.шт./л ^био^оум^ млн.шт./мг <Nмин/Cсум>, млн.шт./мг
5 9,8 75,0 916 9,2 1070
25 6,9 29,9 564 11,5 990
150 5,6 9,3 279 13,8 710
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 3
23
—в— 5 м —в— 25 м —&— 150 м 140 -,-
120
1 100
80
40
20
0
1 2 3 4 5 6 6' 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Номера станций
Р и с. 8. Распределение на продольном разрезе через озеро численности минеральных частиц с радиусами 0,5 - 1,0 мкм
■е— 5 м —в— 25 м —А— 150 м
Номера станций
Р и с. 9. Распределение на продольном разрезе через озеро численности минеральных частиц с радиусами 0,2 - 0,5 мкм
24 ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 3
Средний размер частиц и параметр дисперсности мелких частиц у. На глубине 5 м средний радиус крупных (биологических) частиц на продольном разрезе изменялся в пределах < г4й > = 3,0 - 3,6 мкм (рис. 10). В распределении этого параметра проявляется закономерность: его величина ниже в водах с более высокой концентрацией взвеси, т. е. фитопланктона. При концентрации взвеси более 0,7 мг/л средний размер частиц составил < г4й > = 3,15 мкм, при концентрациях менее 0,7 мг/л < г4й > = 3,40 мкм. Такая закономерность уменьшения размеров частиц фитопланктона в водах высокой трофности известна в гидробиологии.
4,5
4,3
4,1
3,9
3,7
3,5
3,3
3,1
2,9
V ZT S н о го т X
S
^
о
О)
о с о
S
ю о
ч: го
£Р
I
ч: ш £Р
о
4 5 6 6' 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Номера станций
5 м
25 м
150 м
2
3
Р и с. 10. Распределение на продольном разрезе через озеро среднего радиуса биологических частиц
Характерным явлением, наблюдавшимся на всех станциях, было увеличение с глубиной среднего радиуса биологических частиц. Наибольшее изменение с глубиной < г4й > наблюдалось на ст. 7 - 9: на ст. 7 - с 3,4 мкм на глубине 5 м до 4,3 мкм на глубине 150 м, на ст. 8 и 9 - с 3,1 до 4,0 мкм. Ос-редненные по всем станциям значения этого параметра для разных глубин приведены в табл. 4.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 3
25
Средний размер частиц разных фракций и параметр дисперсности у минеральных частиц на разрезе
< Гбио > ,мкм < Гмин > , мкм мин ' < Гмин > , мкм мин <у> <у>
H , м Все станции Кроме ст. 10 и 11 Станции 10 и 11 Кроме ст. 10 и 11 Станции 10 и 11
5 3,3 0,042 0,032 3,2 3,9
25 3,4 0,037 0,060 3,6 2,6
150 3,7 0,028 0,029 4,7 3,4
В распределении среднего радиуса минеральных частиц (рис. 11) на глубине 5 м наблюдается большая изменчивость, причем во многих случаях не связанная с изменением концентрации взвеси. Очевидных причин такого характера изменчивости установить не удалось. При увеличении глубины значение < г1а > уменьшается. Исключение составляют ст. 10 и 11, на которых средний радиус минеральных частиц на глубине 25 м резко увеличивается. Чем была вызвана такая «аномалия», не выяснено.
—е— 5 м —в— 25 м —А— 150 м
70 -,-
О
20 -I-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-,-
1 2 3 4 5 6 6' 7 8 9 1011 1213141516171819
Номера станций
Р и с. 11. Распределение на продольном разрезе через озеро среднего радиуса минеральных частиц
26 ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 3
Параметр дисперсности мелкой взвеси у (рис. 12) также изменяется с глубиной - его значение возрастает в более глубоких слоях воды. Исключение, как и для < гмин >, составляют ст. 10 и 11 на глубине 25 м.
- 5 м
-25 м
■150 м
5,5 --
С
о. 4,5 —
о
0
1
о
£р 3,5 --
3 --
го
£Р ГО С
2,5
2 3 4 5
6 6'
8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Номера станций
Р и с. 12. Распределение на продольном разрезе через озеро параметра дисперсности минеральных частиц у (параметр Юнге)
Характеристики взвеси в проливе Малое море. В этом районе они такого же порядка, как и в прогретых водах на продольном разрезе через озеро. Поэтому их распределение на разрезе через пролив отдельно не рассматривается. В обобщенном виде они представлены в табл. 5.
Характеристики взвеси в оз. Байкал с разной температурой на поверхности. Они также приведены в табл. 5. Станции были разбиты на две группы - с температурой воды на поверхности более и менее 7°С. Видно, что параметры взвеси в водах с разной температурой на поверхности существенно отличаются в поверхностных (5 и 25 м) и глубинных (150 м) слоях. Для < СЙИ(М >,
< гкы > , < % >, <У>, < / См > , < / См > изменения происходят
в обратной зависимости, т. е. при увеличении (уменьшении) на глубинах 5 и 25 м они уменьшаются (увеличиваются) на глубине 150 м.
6
5
4
2
7
0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 3
27
Параметры взвеси в районах озера Байкал с разной температурой воды на поверхности
Параметр Т > 7°С (7,3 - 15,5°С) < Т > = 10,7°С Т < 7°С (4,1 - 6,0°С) < Т > = 5,2°С Т > 7°С
5 м 25 м 150 м 5 м 25 м 150 м 5 м 25 м
Озеро Байкал, ст. 1 - 11, 18, 19 Озеро Байкал, ст. 12 - 17 Малое море, ст. М1 - М3
Ссум , мг/л 0,53-1,42 0,26-1,09 0,19-0,85 0,29-0,58 0,38-0,76 0,20-0,42 1,06-1,56 0,52-0,74
< Ссум > , мг/л 1,12 0,62 0,44 0,41 0,51 0,30 1,28 0,63
С мин. отн 0,26-0,51 0,17-0,53 0,09-0,33 0,28-0,39 0,19-0,38 0,15-0,45 0,24-0,43 0,22-0,36
< С > мин.отн 0,39 0,34 0,20 0,34 0,27 0,27 0,37 0,30
гбио , мкм 3,0-3,3 3,0-3,6 3,4-4,3 3,3-3,6 3,6-3,8 3,5-4,1 3,0-3,4 3,2-3,6
< Гбио > , мкм 3,2 3,3 3,7 3,5 3,7 3,7 3,2 3,4
гм„„, мкм мин 0,029-0,064 0,027-0,064 0,025-0,030 0,031-0,056 0,030-0,036 0,028-0,031 0,034-0,064 0,030-0,056
< Гмин > , мкм 0,044 0,038 0,027 0,040 0,033 0,030 0,047 0,041
7 2,5-4,3 2,5-4,9 3,9-5,9 2,6-3,8 3,3-4,0 3,8-4,6 2,5-3,4 2,6-4,0
< у > 3,2 3,5 4,9 3,5 3,6 4,2 2,9 3,3
N5ио , млн.шт./л 5,9-19,2 4,9-13,8 3,3-12,8 3,2-7,2 4,2-10,5 1,9-5,4 10,3-20,3 5,7-9,9
< N5ио >, млн.шт./л 11,7 7,0 6,1 5,0 6,6 3,8 14,2 7,7
< ^ио /Cсум>, млн.шт./мг 10,4 11,3 13,9 12,2 12,9 12,7 11,1 12,2
Nмин, млн.шт./л 610-1570 260-1340 140-540 320-500 290-570 150-440 990-1160 490-600
<-^^мин>, млн.шт./л 1150 640 310 450 450 310 1080 550
<Nмин /Cсум>, млн.шт./мг 1030 1030 700 1100 880 1030 840 870
28
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн, 2011, № 3
Характеристики взвеси на станции 10. Здесь наблюдались повышенные значения концентрации взвеси на больших глубинах - 500 и 1000 м. Кроме того, происходило необычное увеличение среднего радиуса и численности минеральных частиц на глубине 25 м. В связи с этим характеристики взвеси на этой станции представляют особый интерес (табл. 6).
Т а б л и ц а 6
Параметры взвеси на станции 10
Параметр Глубина H, м
5 10 25 50 150 500 1000
Ссум, мг/л 1,53 1,55 0,91 1,05 0,30 0,53 0,69
C ^мин.отн 0,26 0,44 0,47 0,14 0,26 0,09 0,13
Гбио, мкм 3,2 2,9 3,1 4,0 3,5 4,0 3,9
Гмин, мкм 0,030 0,064 0,056 0,027 0,029 0,025 0,026
Y 4,2 2,5 2,6 5,1 4,3 6,0 5,4
млн.шт./л 19,2 14,7 8,2 15,4 3,9 8,2 10,3
Nбио/Cсум, млн.шт./мг 12,5 9,5 9,1 14,7 13,0 15,5 14,9
N мин млн.шт./л 910 1375 1335 535 270 170 320
<^ин>, млн.шт./мг 595 885 1470 510 900 320 465
Сравнение с параметрами взвеси в других водоемах
Индийский океан. В работе [3] приводятся данные о структуре взвеси в водах Индийского океана, полученные по результатам обращения индикатрис рассеяния света, измеренных на двух станциях. Одна из них (ст. 740) располагалась в зоне южной тропической конвергенции (зона опускания вод в районе 77° в. д.), другая (ст. 765) - в зоне субэкваториальной дивергенции (зона подъема вод в районе 50° в. д.). Для сравнения в табл. 7 приведены данные о структуре взвеси в байкальских водах на ст. 16 (зона опускания) и на ст. 14 (зона подъема).
Сравнение показывает одинаковую закономерность основных изменений параметров взвеси с глубиной в водах Индийского океана и в оз. Байкал: при возрастании глубины средний размер биологических частиц увеличивается, а минеральных - уменьшается (параметр g возрастает). Кроме того, следует отметить характерное различие состава взвеси в зонах опускания и подъема вод: как в Индийском океане, так и в оз. Байкал в зонах опускания на всех глубинах относительное содержание во взвеси минеральной фракции значительно больше, чем в зонах подъема.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 3 29
Параметры взвеси в зонах опускания и подъема вод в Индийском океане и в озере Байкал
Индийский океан
H , с сум' с мин.отн < Гбио > , g H , с сум ' с мин.отн < Гбио > , g
м мг/л мкм м мг/л мкм
Озеро Байкал
Станция 740. Опускание вод
0 0,39 0,23 3,9 4,2
50 0,35 0,37 3,8 4,4
200 0,14 0,43 4,3 4,7 Станция 765. Подъем вод 0 1,01 0,11 4,1 -
50 0,74 0,15 4,2 4,0
200 0,50 0,16 5,5 4,6
Станция 16. Опускание вод
5 0,58 0,28 3,5 3,4
25 0,40 0,38 3,6 3,3
150 0,20 0,45 3,5 3,8
Станция 14. Подъем вод
5 0,49 0,29 3,6 3,4
25 0,76 0,19 3,8 3,5
150 0,25 0,15 3,9 4,6
Черное море. Измерения индикатрис рассеяния света в Черном море (северная часть глубоководной области) были выполнены в декабре 1991 г. [6]. Использовался тот же нефелометр, что и на оз. Байкал. Индикатрисы измерялись в пробах воды с глубины 3 м.
Данные о структуре взвеси получены по методикам [2, 3]. Соотношение концентраций взвеси, полученных весовым методом (25 проб) и рассчитанных по данным о светорассеянии (формулы из работы [2]), было практически таким же, как и для Байкала: Кш = Л^/ = 1,08.
При сопоставлении с параметрами взвеси в поверхностных водах оз. Байкал (глубина 5 м) было установлено, что в большинстве случаев они значительно отличаются от аналогичных характеристик в поверхностных водах Черного моря (глубина 3 м). Лишь на ст. 10 продольного разреза они были относительно близки к черноморским. Близкое сходство обнаружено также между параметрами байкальских вод на глубине 150 м и поверхностных черноморских вод. Их осредненные величины приведены в табл. 8.
Т а б л и ц а 8
Осредненные параметры взвеси в озере Байкал на глубине 150 м и в Черном море на глубине 3 м
Параметр Озеро Байкал Черное море
< Cft6i > , мг/л 0,41 0,55
< Ciei.ioi > 0,22 0,20
< r4a > , мкм 3,7 3,6
< ria >, мкм 0,028 0,028
g 4,7 4,7
< N4a / Cft6i > , млн.шт./мг 13,6 10,7
< Na /Cft6i >, млн.шт./мг 780 600
30
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 3
Обоснованной версии о причинах сходства параметров взвеси в водах Байкала на глубине 150 м и в поверхностных водах Черного моря нет. Отметим лишь особенности в условиях формирования оптических характеристик вод в Черном море во время измерения индикатрис. Измерения проводились в период наиболее короткого светового дня, когда продуктивность фитопланктона в море минимальна и соответственно невелика концентрация взвеси. Вследствие охлаждения поверхностных слоев воды в этот период возникает плотностная конвекция, вызывающая интенсивное вертикальное перемешивание вод. В результате в море формируется однородное распределение гидрологических и оптических характеристик до глубин ~ 100 м.
Заключение
Подведем основные итоги работы.
1. Для определения структуры взвеси в водах оз. Байкал использованы методы обращения индикатрис рассеяния света, предложенные в работах [2, 3]. Оба метода дали результаты, согласующиеся между собой и с измерениями массовой концентрации взвеси весовым методом.
2. По индикатрисам рассеяния света, измеренным в водах оз. Байкал, определены: массовая и численная концентрация разных фракций взвеси, средний размер крупных (органических) и мелких (минеральных) частиц, параметр Юнге, характеризующий распределение по размерам мелких частиц.
3. Получены данные о структуре взвеси в поверхностных и глубинных водах разных районов озера. Показана их связь с гидрологическими и биологическими характеристиками вод. Главными факторами, определявшими пространственную изменчивость характеристик взвеси, являлись температура поверхностных слоев воды, циркуляция вод, цветение фитопланктона.
4. Установлены закономерности трансформации характеристик взвеси с глубиной: в глубинных водах средний размер частиц крупной фракции увеличивается, мелкой фракции - уменьшается.
5. Проведено сравнение параметров взвеси в зонах подъема и опускания вод в оз. Байкал и Индийском океане. Структура взвеси на разных глубинах в таких зонах имеет характерные особенности, одинаково проявлявшиеся как на Байкале, так и в Индийском океане.
6. Проведено сравнение параметров взвеси на разных глубинах в оз. Байкал и в поверхностных водах Черного моря в зимний период. Найдено, что осредненные параметры взвеси в поверхностных водах Черного моря практически такие же, как и в оз. Байкал на глубине 150 м.
Автор благодарит сотрудников Лимнологического института, способствовавших успешному проведению данного исследования:
- Е.Н. Тарасову, предоставившую для сравнения данные выполненных ею в экспедиции измерений концентрации взвеси весовым методом и результаты микробиологических анализов проб на взвесь;
- М.Н. Шимараева, предоставившего данные о температуре и циркуляции вод в оз. Байкал в период экспедиции.
0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 3
31
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Шифрин К.С. Введение в оптику океана // Л.: Гидрометеоиздат, 1983. - С. 207 - 264.
2. Копелевич О.В., Маштаков Ю.А., Буренков В.И. Исследование вертикальной стратификации рассеивающих свойств морской воды // Гидрофизические и оптические исследования в Индийском океане. - М.: Наука, 1975. - С. 54 - 60.
3. Ощепков С.Л., Сорокина Е.А. Методика экспрессного восстановления дисперсности и концентрации морской взвеси из измерений индикатрис рассеяния // Океанология. -1988. - 28, вып. 1. - С. 157 - 161.
4. Маньковский В.И. Морской импульсный нефелометр // Приборы для научных исследований и системы автоматизации в АН УССР. - Киев: Наук. думка, 1981. - С. 87 - 89.
5. Шерстянкин П.П., Коханенко Г.П., Куимова Л.Н. и др. О связи оптических структур вод озера Байкал с конвекционными структурами // Тр. Международного симпозиума «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы с элементами научной школы для молодежи». - Томск: Институт оптики атмосферы СО РАН, 2009. - С. 540 - 543.
6. Маньковский В.И., Соловьев М.В. Индикатрисы рассеяния света и рассчитанный по ним состав взвеси в Черном море // Морской гидрофизический журнал. - 2005. - № 1. -С. 63 - 76.
Морской гидрофизический институт НАН Украины, Материал поступил
Севастополь в редакцию 16.12.09
После доработки 19.02.10
АНОТАЦ1Я За шдикатрисами розаяння св^ла, вимiряним в оз. Байкал, розраховаш характеристики суспензп: масова концентращя i чисельшсть частинок мшерально! i бюлопчно! фракцш, !х середнш радiус, параметр дисперсност мшеральних частинок. Отримаш даш про вертикальний розподш характеристик суспензп в рiзних районах озера в л^нш перюд. Прове-дене порiвняння характеристик суспензп в зонах тдйому та опускання вод в оз. Байкал i в 1ндшському океаш, що показало И однаковий специфiчний склад.
Ключовi слова: шдикатриса розаяння, зворотш задач^ суспензiя.
ABSTRACT Light scattering functions measured in the lake Baikal are used for calculating suspended matter parameters: mass concentration and quantity of mineral and biological particles, their average radius, parameter of mineral particles dispersivity. Data on vertical distribution of suspended matter characteristics in various regions of the lake in summer are obtained. Comparison of suspended matter characteristics in the upwelling and downwelling zones of the lake Baikal and in the Indian Ocean shows its similar specific composition in these zones.
Keywords: light scattering function, inverse problem, suspended matter.
32
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 3
