Comparison of bio-optical properties of optically complex waters with different trophic status

Texto integral

Введение

В условиях изменяющегося климата [1] и возрастающего негативного воздействия человеческой деятельности на природу вопросы оперативного контроля за состоянием водных экосистем и прогнозирования их изменений под воздействием естественных и антропогенных факторов становятся все более актуальными [2, 3]. Дистанционное зондирование Мирового океана из космоса предоставляет уникальную возможность мультимасштабной регистрации параметров водной среды и мониторинга состояния морских акваторий [4, 5]. Однако до настоящего времени полная реализация уникального потенциала данных дистанционного зондирования ограничена возможностями биооптических алгоритмов, стандартные решения которых не обеспечивают корректных оценок показателей качества и продуктивности вод на глобальных масштабах [6], что связано с высокой неоднородностью мирового океана по биооптическим показателям вод [7–9].

Воды, относящиеся ко второму типу по оптической классификации [7], для которых типично высокое содержание неживого взвешенного вещества (NAP) и окрашенного растворенного органического вещества (CDOM), а также отсутствие корреляции между содержанием хлорофилла а (маркер биомассы фитопланктона – третий оптически активный компонент), являются наиболее сложными для решения задачи трансформации спутникового сигнала в первичные гидрооптические характеристики вод [8, 9]. Для Черного моря (воды 2-го типа [10]) разработан трехканальный алгоритм Chl-CDM [11], который обеспечивает точное восстановление первичных гидрооптических характеристик вод Черного моря [12]. Этот алгоритм может быть адаптирован для других водоемов РФ, а также для полярных регионов Мирового океана, которые представляют политический и экономический интерес для нашей страны. Для адаптации Chl-CDM алгоритма к другим акваториям требуются эмпирически установленные закономерности изменчивости биооптических показателей вод, в частности параметризация поглощения света всеми оптически активными компонентами среды (фитопланктоном, NAP и CDOM), оценка вклада каждого компонента в баланс поглощения света на разных длинах волн.

Биооптические исследования, выполненные на современном методологическом и технологическом уровне в разных районах Мирового океана (Азово-Черноморский бассейн, Арктика, Антарктика и озера Байкал и Телецкое) [13–19], позволяют объединить результаты, полученные в водах с разным уровнем трофности (трофическим статусом) и составом оптически активных компонентов среды (оптические характеристики). Трофический статус вод определяется на основании показателей продуктивности: концентрации хлорофилла а и первичной продукции. Азовское море относится к высокотрофному водоему с характерным высоким содержанием фитопланктона, большими значениями концентрации хлорофилла а и высокой первичной продукцией [20]. Воды открытой части Черного моря относят к мезотрофным водам [21]. Прибрежные воды Черного моря подвержены влиянию берегового и речного стока и поэтому характеризуются высокой неоднородностью по показателям продуктивности [22], что сопровождается изменением уровня трофности от мезотрофного до эвтрофного. В водах Атлантического сектора Южного океана отмечается уникальная ситуация – высокое содержание биогенных элементов, но при этом низкая концентрация хлорофилла а [23], что дает основание сделать вывод об олиготрофности вод в этом районе. Воды Европейского сектора Арктики (Норвежское и Баренцево моря, Северный Ледовитый океан) относятся в большей части (а именно воды Северного Ледовитого океана) к олиготрофным [24, 25]. Воды озера Байкал – уникального прозрачного водоема – относятся к олиготрофным водам. Высокотрофные воды Телецкого озера подвержены интенсивному береговому и речному стоку, что определяет экологическое состояние вод и их оптические свойства [26].

Цель настоящих исследований состоит в обобщении полученных результатов и сравнительном анализе биооптических показателей вод с различным трофическим статусом.

Методы

В работе обобщены данные, полученные в разных районах Мирового океана (рис. 1):

1) в Норвежском море, Баренцевом море, Северном Ледовитом океане – рейс № 80 НИС «Академик Мстислав Келдыш» (август 2020 г.);

2) Атлантическом секторе Южного океана – рейс № 79 НИС «Академик Мстислав Келдыш» (январь – февраль 2020 г.);

3) Черном море, прибрежных водах Крымского полуострова – рейсы № 106 (апрель – май 2019 г.) и № 113 (июнь 2020 г.) НИС «Профессор Водяницкий», регулярный еженедельный биооптический мониторинг на МНИС «Виктория» (период с 2009 по 2022 г.);

4) Черном море, глубоководном районе – рейс № 122 НИС «Профессор Водяницкий» (июнь 2022 г.);

5) Азовском море – научные экспедиции на НИС «Профессор Водяницкий», выполненные в разные сезоны года (период с 2016 по 2020 г.);

6) на озере Байкал – экспедиции на НИС «Г. Ю. Верещагин» (июль 2018 г.) и на НИС «Г. Титов» (сентябрь 2019 г.);

7) на Телецком озере – экспедиция на НИС ИВЭП СО РАН № 209 (тип «Ярославец») (август 2022 г.).

Пробы воды отбирались с помощью кассеты батометров или одиночным батометром (GO-Flo bottles). Концентрацию хлорофилла а в сумме с феопигментами (TChl-a) определяли спектрофотометрическим методом [27, 28]. Пробы воды фильтровали через стекловолокнистые фильтры (Whatman GF/F) при вакууме не более 0,2 атм. Фильтры со взвесью складывали, заворачивали в фольгу и хранили в сжиженном азоте до измерений в лаборатории. Пигменты экстрагировали 90%-ным водным раствором ацетона (5 мл) с использованием для полноты экстракции двухступенчатого подхода и виброгомогенизатора. Пробирки с ацетоновыми экстрактами пигментов хранили в холодильнике (+8 °C) в течение 18 ч. Экстракты пигментов осветляли осаждением взвеси центрифугированием в течение 5 минут (при центробежном ускорении 5000 g). Оптическую плотность (англ. optical density, OD) ацетоновых экстрактов пигментов определяли на двухлучевом спектрометре Lambda 35 (PerkinElmer).

 

Рис. 1. Расположение станций (обозначены цветными кружками) в исследуемых районах Мирового океана (а); увеличенное изображение исследуемых районов: b – озера Байкал (желтый цвет), c – Баренцева, Норвежского морей и Северного Ледовитого океана (зеленый цвет), d –Атлантического сектора Южного океана (красный цвет), e – Телецкого озера (лиловый цвет), f – Черного (синий цвет) и Азовского (коричневый цвет) морей

Fig. 1. Location of stations (marked with colored circles) in the study areas of the World Ocean (a); enlarged image of the study areas: b – Lake Baikal (yellow), c – Barents and Norwegian seas, and Arctic Ocean (green), d – Atlantic sector of the Southern Ocean (red), e – Lake Teletskoye (purple), f – Black (blue) and Azov (brown) seas

 

Спектральные показатели поглощения света всеми оптически активными компонентами (ОАК) среды: пигментами фитопланктона ($a_{ph}\left(\lambda \right)$), неживым взвешенным веществом ($a_{NAP}\left(\lambda \right)$) и окрашенным растворенным органическим веществом ($a_{CDOM}\left(\lambda \right)$) – измеряли в соответствии с современными протоколами [29, 30] с использованием двухлучевого спектрофотометра Lambda 35 (PerkinElmer), оснащенного интегрирующей сферой. Методология определения $a_p\left(\lambda \right),a_{ph}\left(\lambda \right),a_{NAP}\left(\lambda \right)$ и $a_{CDOM}\left(\lambda \right)$ детально описана в статье [17].

Параметризацию поглощения света всеми оптически активными компонентами среды проводили в соответствии с современными подходами [31, 32]. Параметризация поглощения света пигментами фитопланктона направлена на получение связи между $a_{ph}\left(\lambda \right)$ и TChl-a. Хлорофилл а является основным фотосинтетически активным пигментом, что определяет его экологическую значимость и объясняет его использование при анализе вариабельности $a_{ph}\left(\lambda \right)$ несмотря на то что поглощение света фитопланктоном связано не только с хлорофиллом а, а со всем комплексом пигментов, отличающихся по своему функциональному назначению [33, 34]. Для описания зависимости между $a_{ph}\left(\lambda \right)$ и TChl-a использовали степенную функцию [31]:

${a_p}_h\left(\lambda \right)=A\left(\lambda \right)\cdot TChl-a^{\left(B\left(\lambda \right)\right)}$ (1)

Коэффициенты A(λ) и B(λ) определяли методом наименьших квадратов с использованием логарифмической формы уравнения (1).

Спектры показателей поглощения света NAP и CDOM имеют экспоненциальную форму [35]. Параметризация поглощения света NAP и CDOM нацелена на определение параметров уравнения, которое описывает формы спектров $a_{NAP}\left(\lambda \right)$ и $a_{CDOM}\left(\lambda \right)$ [32]:

$a_i\left(\lambda \right)=a_i\left({\lambda }_r\right)\cdot e^{\left(-S_i\cdot (\lambda -{\lambda }_r)\right)},$  (2)

где i обозначает NAP или CDOM; длина волны λ_r – это выбранная длина волны (в наших исследованиях использовали 438 нм); S_i обозначает спектральный наклон S_NAP или S_CDOM.

Спектральный наклон S_NAP определяли в диапазоне длин волн от 400 до 700 нм. Показатель S_CDOM, значение которого изменяется в зависимости от выбранного волнового диапазона [36], определяли в диапазоне длин волн от 350 до 500 нм, который используется в большинстве исследований [32, 37], что позволяет проводить сравнительную оценку полученных значений, используя литературные данные.

Вклад фитопланктона, NAP и CDOM в общее поглощение света взвешенным и растворенным органическим веществом, за исключением воды (a_tot-w), оценивали на отдельных длинах волн, выбранных исходя из их значимости: 1) на длине волны 438 нм, которая является физиологически значимой для фитопланктона в связи с тем, что на этой длине волны поглощение света пигментами фитопланктона максимально в пределах видимого диапазона излучения (400–700 нм); 2) на длине волны 490 нм, которая соответствует спектральному каналу оптических сканеров (Sea-WiFS, MERIS, MODIS, VIIRS, OLCI) и используется в разработанном трехканальном алгоритме Chl-CDM оценки концентрации хлорофилла а по данным дистанционного зондирования Земли из космоса [11].

Спектры подводной облученности E_d(λ) (нисходящее излучение) измеряли c шагом в 1 м в пределах освещенного своя вод с помощью погружного спектрорадиометра RAMSES (TrioOS, Germany) или моделировали [38] с использованием в качестве входных параметров результатов измерения спектральных биооптических показателей вод [38]. Значения фотосинтетически активной радиации (ФАР) получали в результате интегрирования E_d(λ) в пределах видимого диапазона излучения (400–700 нм). Глубину зоны фотосинтеза (Z_eu) оценивали по глубине проникновения 1 % от значения ФАР, падающей на поверхность водоема. Первую оптическую глубину (1_opt) определяли в соответствии с формулой [35]

$1_{opt}=Z_{eu}/\mathrm{4,6.}$

В качестве характеристики спектральных свойств солнечного излучения, проникающего в водную толщу, использовали длину волны максимума спектра E_d(λ) (λ_max).

Результаты и обсуждение

Спектры показателей $a_{ph}\left(\lambda \right)$, $a_{NAP}\left(\lambda \right)$ и $a_{CDOM}\left(\lambda \right)$, измеренные в поверхностном слое вод, соответствующем слою 1_opt, показаны на рис. 2–4. В Азовском море отмечена высокая (в пределах порядка) вариабельность всех исследованных показателей. Значение TChl‑a в поверхностном слое моря изменялось в течение года в диапазоне от 1,7 до 22 мг×м⁻³. Установлена зависимость между показателями поглощения света пигментами фитопланктона ($a_{ph}\left(\lambda \right)$) на отдельных длинах волн и TChl-a (табл. 1), которая описана степенной функцией (уравнение (1)). Установлены сезонные различия между значениями коэффициента A(λ) (уравнение (1)), наиболее выраженные в синем диапазоне спектра (почти двукратные различия) [19], что обусловлено изменением степени упаковки пигментов в клетках фитопланктона [39] в связи с адаптацией фитопланктона к изменениям условий среды в течение года, которая приводит к изменению состава и концентрации пигментов в клетках [40].

Анализ вариабельности показателей поглощения света NAP ($a_{NAP}\left(\lambda \right)$) и CDOM ($a_{CDOM}\left(\lambda \right)$) показал высокую (в пределах порядка) изменчивость $a_{NAP}$ $\left(438\right)$ (0,036–0,58 м⁻¹) и $a_{CDOM}\left(438\right)$ (0,083–0,54 м⁻¹). Установлено, что поглощение света CDOM не коррелировало с TChl-a. Значения спектральных наклонов S_NAP и S_CDOM варьировали в диапазоне от 0,0080 до 0,014 нм⁻¹ (0,010 ± 0,0015 нм⁻¹) и от 0,014 до 0,024 нм⁻¹ (0,018 ± 0,0024 нм⁻¹) (табл. 2) соответственно. Установлена связь между S_CDOM и $a_{CDOM}\left(\lambda \right)$, описанная степенным уравнением (табл. 3). Аналогичная зависимость получена для показателя суммарного поглощения света NAP и CDOM ($a_{CDOM}\left(\lambda \right)$) (табл. 3). Значение $a_{tot-w}\left(438\right)$ варьировало в пределах от 0,31 до 0,68 и в среднем составляло 0,61 ± 0,45 м⁻¹ (табл. 2). Относительный вклад фитопланктона в $a_{tot-w}\left(438\right)$ изменялся от 7 % весной и осенью до 51 % зимой (в январе) и достигал 70 % летом (в июле). Вклад CDOM и NAP в $a_{tot-w}\left(438\right)$ варьировал в пределах от 13 до 76 % и от 10 до 52 % соответственно.

 

Рис. 2. Спектры показателей поглощения света пигментами фитопланктона (a_ph(λ)) в поверхностном слое вод Северного Ледовитого океана (a), Баренцева моря (b), Норвежского моря (c), Атлантического сектора Южного океана (d), Черного моря зимой (e) и летом (f), Азовского моря (g), озера Байкал (h), Телецкого озера (i)

F i g.  2. Spectra of light absorption coefficients by phytoplankton (a_ph(λ)) in the surface layers of the Arctic Ocean (a), the Barents (b) and Norwegian (c) seas, Atlantic sector of the Southern Ocean (d), the Black Sea in winter (e) and summer (f), the Sea of Azov (g), and the Baikal (h) and Teletskoye (i) lakes

 

Прибрежные воды в Севастопольской бухте различались по трофическому статусу. В поверхностном слое (1_opt) отмечен высокий диапазон вариабельности TChl-a (от 0,19 до 5,6 мг м⁻³). Значения показателей $a_{ph}\left(\lambda \right)$ и $a_{NAP}\left(\lambda \right)$ изменялись тоже на порядок. В отличие от взвешенного вещества, для CDOM отмечена меньшая изменчивость показателей поглощения света (табл. 2). Связи между и TChl-a не наблюдалось. Установлено, что связь между TChl-a и $a_{ph}\left(\lambda \right)$ отражает единообразие зависимости (в уравнении (1)) в широком диапазоне трофности вод [13]. При этом выявлены сезонные различия между значениями коэффициента А в уравнении (1) для $a_{ph}\left(\lambda \right)$ на отдельных длинах волн (табл. 1), что подчеркивает превалирующее влияние условий среды (преимущественно освещенности) на значения удельных (нормированных на TChl-a) показателей поглощения света пигментами фитопланктона.

 

Рис. 3. Спектры показателей поглощения света неживым взвешенным веществом (a_NAP(λ)) в поверхностном слое вод Северного Ледовитого океана (a), Баренцева моря (b), Норвежского моря (c), Атлантического сектора Южного океана (d), Черного моря зимой (e) и летом (f), Азовского моря (g), озера Байкал (h), Телецкого озера (i)

Fig. 3. Spectra of light absorption coefficients by non-algal particles (a_NAP(λ)) in the surface layers of the Arctic Ocean (a), the Barents (b) and Norwegian (c) seas, Atlantic sector of the Southern Ocean (d), the Black Sea in winter (e) and summer (f), the Sea of Azov (g), and the Baikal (h) and Teletskoye (i) lakes

 

Рис. 4. Спектры показателей поглощения света окрашенным растворенным органическим веществом (a_CDOM(λ)) в поверхностном слое вод Северного Ледовитого океана (a), Баренцева моря (b), Норвежского моря (c), Атлантического сектора Южного океана (d), Черного моря зимой (e) и летом (f), Азовского моря (g), озера Байкал (h), Телецкого озера (i)

Fig. 4. Spectra of light absorption coefficients by non-algal particles (a_NAP(λ)) in the surface layers of the Arctic Ocean (a), the Barents (b) and Norwegian (c) seas, Atlantic sector of the Southern Ocean (d), the Black Sea in winter (e) and summer (f), the Sea of Azov (g), and the Baikal (h) and Teletskoye (i) lakes

 

Значение S_NAP в среднем составляло 0,011 ± 0,002 нм⁻¹ (табл. 2), что соответствует результатам, полученным в других районах Мирового океана [32, 37]. Отмечено снижение S_CDOM с увеличением трофности вод от 0,019 до 0,015 нм⁻¹, что отражает изменение химического состава CDOM, а именно повышение доли высокомолекулярных соединений [36], что, вероятно, связано с влиянием речного стока (стока реки Черной), а также с меньшей степенью фотодеструкции CDOM в мутных трофных водах [35]. Установлена связь между S_CDOM (S_CDM) и $a_{CDOM}\left(\lambda \right)$ ($a_{CDOM}\left(\lambda \right)$) (табл. 3). Значение $a_{tot-w}\left(438\right)$ изменялось зимой от 0,11 до 0,82 м⁻¹ (в среднем 0,27 ± 0,12 м⁻¹) и летом от 0,069 до 0,90 м⁻¹ (в среднем 0,30 ± 0,16 м⁻¹) (табл. 2). В связи с отсутствием сопряженности в изменении поглощения CDOM и TChl‑a оценка бюджета поглощения света на длине волны 438 нм показала значительную вариабельность доли CDOM в общем поглощении света и доминирование фитопланктона в наиболее трофных водах.

 

Таблица 1. Коэффициенты степенной зависимости ${a_p}_h\left(490\right)=A\left(490\right)\cdot TChl-a^{\left(B\left(490\right)\right)}$ показателя поглощения света пигментами фитопланктона на длине волны 490 нм a_ph(490) (м⁻¹) от концентрации хлорофилла а в сумме с феопигментами TChl‑a (мг×м⁻³)

Table 1. Coefficients of the power-law dependence ${a_p}_h\left(490\right)=A\left(490\right)\cdot TChl-a^{\left(B\left(490\right)\right)}$ of the light absorption coefficient by phytoplankton at 490 nm (a_ph(490), m⁻¹) upon the chlorophyll a concentration in total with phaeopigments (TChl‑a, mg m⁻³)

Район / Region	A(490), м2×мг−1 / A(490), m2×mg−1	B(490)	r2	n
Южный океан / Southern Ocean	0,021	0,93	0,83	126
Норвежское море / Norwegian Sea	0,033	0,99	0,97	41
Баренцево море / Barents Sea
Северный Ледовитый океан / Arctic Ocean
Черное море * / Black Sea *	0,031	0,79	0,78	79
Черное море ** / Black Sea **	0,048	0,78	0,66	39
Азовское море ** / Sea of Azov **	0,050	0,59	0,74	39
Азовское море * / Sea of Azov *	0,016	0,95	0,53	7
Озеро Байкал / Lake Baikal	0,039	0,62	0,83	58
Телецкое озеро / Lake Teletskoye	0,018	0,74	0,54	39

* Измерения проводились в зимний сезон.

* Measurements were taken during a winter season.

** Измерения проводились в летний сезон.

** Measurements were taken during a summer season.

Примечание: r² – коэффициент детерминации; n – число измерений.

 

Исследования в поверхностном слое вод Норвежского и Баренцева морей, а также Северного Ледовитого океана [14] показали высокую изменчивость TChl‑a (от 0,058 до 1,5 мг м⁻³) и показателей поглощения света всеми оптически активными компонентами среды: (от 0,0014 до 0,12 м⁻¹), (от 0,00031 до 0,068 м⁻¹) и (от 0,0074 до 0,20 м⁻¹) (табл. 2). Поглощение света NAP коррелировало с поглощением света фитопланктоном и с TChl-a. Вклад NAP в поглощение света взвешенным веществом на длине волны 438 нм в Норвежском и Баренцевом морях и Северном Ледовитом океане составлял в среднем 27, 34 и 39 % соответственно (табл. 2). Корреляции между поглощением света CDOM и TChl-a не отмечено.

 

Таблица 2. Среднее значение биооптических показателей вод ± стандартное квадратичное отклонение

Table 2. Mean value of bio-optical water properties ± standard deviation

Регион / Region	TChl-a	aNAP(490)	aNAP(438) ap (438)	SNAP	aSDOM(490)	SCDOM	aCDM(490)	SCDM	atot-w(438)
Южный океан / Southern Ocean	0,97 ± 0,47	0,0071 ±0,0042	0,24 ±0,12	0,01 1 ± 0,004	0,027 ± 0,023	0,014 ±0,008	0,034 ± 0,023	0,012 ±0,006	0,11 । 0,076
Норвежское море i Norwegian Sea	1,0 ±0.44	0,011 ±0,005	0,27 ±0,13	0,01 1 ±0,003	0,028 ± 0,022	0,017 ±0,005	0,039 ± 0,024	0,016 ±0,004	0,12 ±0,079
Баренцево море/ Barents Sea	0,41 ±0,26	0,0073 ± 0,0046	0,34 ±0,12	0,01 I ±0,003	0,030 ± 0,032	0,017 ±0,005	0,037 ± 0,035	0,016 ±0,004	0,12 ± 0,10
Северный Ледовитый океан / Arctic Ocean	0,43 ± 0,54	0,0037 ±0,0019	0,39 ±0,17	0,01 I ±0,003	0,01 1 ±0,010	0,017 ±0,005	0,015 ±0,010	0,016 ±0,004	0,063 ± 0,039
Черное море, прибрежный район */ Black Sea, coastal region*	1,2 ±0,7	0,019 ± 0,018	0,33 ±0,15	0,01 I ±0,002	0,038 ±0,018	0,019 ±0,003	0,054 ± 0,022	0,017 ±0,002	0,27 ±0,12
Черное море, 1рибрежный район ** / Black Sea, coastal region**	0,50 ± 0,20	0,017 ± 0,017	0,34 ±0,11	0,011 ±0,002	0,035 = 0,019	0,019 ±0,003	0,049 ± 0,025	0,017 ±0,002	0,30 ±0,16
Азовское море / Sea of Azov	6.0 ±2.3	0.094 ±0.079	0.41 ± 0.20	0,011 ± ±0.0014	0.097 = 0.031	0,019 ± 0.0024	0.19 ± 0.15	0.015 ±0.0026	0,61 ± 0,45
Озеро Байкал / Lake Baikal	2.2 ± 1.2	0.023 ±0.021	0.23 ±0.11	0.01 ±0.0017	0.059 = 0.038	0.018 ± 0.0028	0.081 ±0.056	0.016 ±0.0019	0,28 ±0,19
Телецкое озеро/ Lake Teletskoye	1.7 ±0.37	0.038 ±0.012	0.54 ±0.10	0.009 ± ±0.0006	0.24 ± 0.034	0.018 ±0.0007	0.28 ±0.044	0.017 ±0.0008	0,72 ± 0,09

Примечание. TChl-a — концентрация хлорофилла а в сумме с феопигментами, мг-м^-1; a_NAP(490) - показатель поглощения света неживым взвешенным веществом (м^-1), a_CDOM(490) - показатель поглощения света окрашенным растворенным органическим веществом (м^-1) и а_CDM(490) — показатель поглощения света окрашенным взвешенным и растворенным органическим веществом (м^-1) на длине волны 490 нм; a_tot-w(438) - общее поглощение света на 438 нм (м^-1); a_NAP(438)/a_р(438) - отношение показателей a_NAP(438) к общему поглощению взвешенным веществом на длине волны 438 нм (а_р(438)); S_NAP - спектральный наклон поглощения света неживым взвешенным веществом (нм^-1), S_CDOM - спектральный наклон поглощения света окрашенным растворенным органическим веществом (нм^-1) и S_CDM - спектральный наклон поглощения света окрашенным взвешенным и растворенным органическим веществом (нм^-1) для верхнего перемешанного слоя.

Note: TChl-a is the chlorophyll a concentration in total with pheopigments, rng rn^-5; a_NAP(490) is the light absorption coefficient by non-algal particles (m^-1), a_CDOM(490) is the light absorption coefficient by colored dissolved organic matter (m^-1), and а_CDM(490) is the light absorption coefficient by colored detrital matter (m^-1) at the wavelength 490 nm; a_tot-w(438) is the total non-water light absorption at 438 nm (m^-1); a_NAP(438)/a_р(438) is the ratio of a_NAP(438) to the particulate absorption coefficient at the wavelength 438 nm (a_p(438)); S_NAP is the spectral slope of light absorption by non-algal particles (nm^-1), S_CDOM is the spectral slope of light absorption by colored detrital matter (nm^-1), and S_CDM is the spectral slope of light absorption by colored detrital matter (nm^-1) for the upper mixed layer.

 

Таблица 3. Коэффициенты степенной зависимости

Table 3. Coefficients of power-law dependence

Регион / Region	ACDOM	ВCDOM	r2	n	ACDM	ВCDM	r2	n
Южный океан / Southern Ocean	0,0045	−0,27	0,60	126	0,0034	−0,380	0,52	126
Норвежское море */ Norwegian Sea *	0,0056	−0,28	0,81	80	0,0052	−0,320	0,73	80
Баренцево море */ Barents Sea *
Северный Ледовитый океан */ Arctic Ocean *
Черное море **/ Black Sea **	0,0065	−0,29	0,77	138	0,009	−0,200	0,63	138
Азовское море ** / Sea of Azov **	0,012	−0,19	0,41	118	0,013	−0,060	0,32	118
Озеро Байкал / Lake Baikal	0,011	−0,15	0,39	82	0,012	−0,091	0,31	82

* Общие зависимости для Норвежского, Баренцева морей и Северного Ледовитого океана

*Common dependencies for the Norwegian and Barents seas, and the Arctic Ocean.

** Общие зависимости для всех сезонов

** Common dependencies for all the seasons.

Примечание:

1. Для Телецкого озера зависимости не установлено.
2. A_CDOM, В_CDOM – коэффициенты степенной зависимости спектрального наклона поглощения света окрашенным растворенным органическим веществом (S_CDOM, нм⁻¹) от показателей поглощения света окрашенным растворенным органическим веществом (a_CDOM(490), м⁻¹); A_CDM, В_CDM– коэффициенты степенной зависимости спектрального наклона поглощения света окрашенным взвешенным и растворенным органическим веществом (S_CDM, нм^-1) от показателя поглощения света (a_CDM(490),м^-1); r² – коэффициент детерминации; n – число измерений.

Note:

1. For Lake Teletskoye no dependence was found.
2. A_CDOM and В_CDOM are the coefficients of power-law dependence of the spectral slope of light absorption by colored dissolved organic matter (S_CDOM, nm⁻¹) upon the light absorption coefficient by colored dissolved organic matter (a_CDOM(490), m⁻¹); A_CDM and В_CDM are the coefficients of power-law dependence of the spectral slope of light absorption by colored detrital matter (S_CDM, nm^-1) upon the light absorption coefficient (a_CDM(490), m^-1); r² is the determination coefficient; n is a number of measurements.

 

Для Норвежского и Баренцева морей, а также для Северного Ледовитого океана установлена связь между $a_{ph}\left(\lambda \right)$ и TChl-a, которая для отдельных длин волн описана едиными уравнениями (табл. 1) без статистически значимых различий между акваториями [14]. В результате параметризации (уравнение (2)) получены значения S_NAP и S_CDOM. Значения этих параметров в среднем равнялись 0,011 ± 0,003 и 0,017 ± 0,004 нм⁻¹ соответственно (табл. 2). Значения S_CDOM (0,010–0,025 нм⁻¹) изменялись в обратной связи с показателем $a_{CDOM}\left(\lambda \right)$, которая описана степенным уравнением с одинаковыми коэффициентами для Норвежского, Баренцева морей и Северного Ледовитого океана (табл. 3). Для S_CDM и $a_{CDOM}\left(\lambda \right)$ установлена аналогичная связь (табл. 3). Значение $a_{tot-w}\left(438\right)$ в поверхностном слое Норвежского, Баренцева морей и Северного Ледовитого океана изменялось от 0,067 до 0,25 м⁻¹ (0,12 ± 0,079 м⁻¹), от 0,025 до 0,24 м⁻¹ (0,12 ± 0,10 м⁻¹) и от 0,021 до 0,15 м⁻¹ (0,063 ± 0,039 м⁻¹) (табл. 2) соответственно. Оценка бюджета поглощения на длинах волн 438 и 490 нм показала, что на большей части исследованной акватории CDOM доминировал в поглощении света. Доля CDOM в общем поглощении $tot-w$ изменялась от 80 до 20 %. Такой широкий диапазон относительного поглощения света CDOM связан с влиянием речного стока на поступление растворенного вещества в воды и увеличением его доли в поглощении [41–43]. Увеличение биомассы фитопланктона, если рассматривать TChl-a как маркер биомассы фитопланктона, приводило к доминированию (65 %) фитопланктона в поглощении света, а следовательно, к снижению доли CDOM в общем поглощении света.

Исследования в Южном океане показали, что биооптические показатели поверхностных вод (слой 1_opt) изменялись на порядок и более: TChl-a – от 0,58 до 4,4 мг м⁻³, $a_{ph}\left(438\right)$ – от 0,0012 до 0,29 м⁻¹, $a_{NAP}\left(438\right)$ – от 0,0038 до 0,022 м⁻¹, $a_{CDOM}\left(438\right)$ – от 0,0054 до 0,19 м⁻¹. Между значениями $a_{ph}\left(\lambda \right)$ и TChl-a установлена связь (табл. 1). Отмечена корреляция между $a_{NAP}\left(438\right)$ и TChl-a и отсутствие связи между $a_{CDOM}\left(438\right)$ и TChl-a. В результате параметризации поглощения света неживыми оптическими компонентами среды были получены спектральные наклоны для $a_{NAP}\left(\lambda \right)$ и $a_{CDOM}\left(\lambda \right)$, средние значения которых составляли S_NAP = 0,010 ± 0,0021 нм⁻¹ и S_CDOM = 0,013 ± 0,0059 нм⁻¹ (табл. 2). Установлена обратная связь между $a_{CDOM}\left(\lambda \right)$ ($a_{CDM}\left(\lambda \right)$) и S_CDOM (S_CDM), которая описывается степенной зависимостью (табл. 3). Значение $a_{tot-w}\left(438\right)$ в поверхностном слое Южного океана изменялись от 0,039 до 0,37 м⁻¹ (0,11 ± 0,076 м⁻¹) (табл. 2). Оценка бюджета поглощения света на длине волны 438 нм показала, что в условиях высокой некоррелированной с TChl-a изменчивости поглощения света CDOM происходит смена доминирующего компонента: CDOM доминирует (около 60 %) в поглощении света в акватории с низкими значениями TChl-a, фитопланктон доминирует (около 80 %) в акватории с высокими значениями TChl-a. Воды Атлантического сектора Южного океана являются оптически контрастными по содержанию как фитопланктона, так и CDOM [17].

Исследования на озере Байкал показали высокую (в пределах порядка и более) изменчивость всех биооптических показателей вод [16, 18]. TChl-a в поверхностном слое (слой 1_opt) изменялась в пределах 0,58–5,3 мг м⁻³. Установлена связь между $a_{ph}\left(\lambda \right)$ и TChl-a на отдельных длинах волн, которая описана степенной зависимостью (табл. 1). Значения $a_{NAP}\left(\lambda \right)$ и $a_{CDOM}\left(\lambda \right)$ на длине волны 438 нм изменялись в пределах 0,0024–0,099 м⁻¹ и 0,035–0,31 м⁻¹. Установлена корреляция между $a_{NAP}\left(438\right)$ и TChl-a. Не наблюдалось связи между поглощением света CDOM и TChl-a. Параметр S_NAP в среднем составлял 0,010 ± 0,0017 нм⁻¹ (табл. 2). Значения S_CDOM изменялись от 0,011 до 0,026 нм⁻¹. Установлена обратная связь между $a_{CDOM}\left(\lambda \right)$ ($a_{CDM}\left(\lambda \right)$) и S_CDOM (S_CDM), которая описана степенным уравнением (табл. 3). Значения $a_{tot-w}\left(438\right)$ в поверхностном слое вод изменялись в пределах 0,12–0,57 м⁻¹ и в среднем составляли 0,28 ± 0,19 м⁻¹ (табл. 2). В связи с высокой изменчивостью всех биооптических показателей вод и отсутствием корреляции между показателями поглощения света CDOM и TChl-a отмечена смена доминирующей компоненты. В отдельных районах в формировании светового поля в озере доминировал CDOM, его вклад в общее поглощение достигал ~ 85 %. В районах озера, где было отмечено большое содержание TChl-a (более 1,5 мг×м⁻³), доминировал фитопланктон и его вклад в общее поглощении света в озере достигал ~ 80 %.

Биооптические исследования на Телецком озере показали высокое содержание фитопланктона, NAP и CDOM. Значения TChl-a в период исследований изменялись от 1,1 до 2,3 мг×м⁻³. Установлены коэффициенты связи между $a_{ph}\left(\lambda \right)$ и TChl-a на отдельных длинах волн (табл. 1). Показатели $a_{NAP}\left(438\right)$ и $a_{CDOM}\left(438\right)$ изменялись от 0,029 до 0,14 м⁻¹ и от 0,46 до 0,76 м⁻¹. Средние значения показателей поглощения света NAP и CDOM на длине волны 490 нм приведены в табл. 2. Значения показателя a_tot-w(438) варьировали от 0,56 до 0,97 м⁻¹, в среднем составляя 0,72 ± 0,02 м⁻¹ (табл. 2). Для поглощения света CDOM и CDM установлены связи между спектральным наклоном (S_CDOM и S_CDM) и показателем поглощения света на длине волны 490 нм (табл. 3). В среднем в водах Телецкого озера соотношение $a_{NAP}\left(438\right)$/$a_p\left(438\right)$ составляло 0,54 ± 0,10, что значительно превышало значения этого соотношения, полученные в других исследованных акваториях (табл. 2).

На основе объединенного массива данных был проведен сравнительный анализ и систематизация районов исследований по всем измеренным биооптическим показателям вод: TChl-a и a_tot-w(438) в слое 1_opt (табл. 2). Получено, что значения TChl-a изменялись на несколько порядков (0,066–24 мг×м⁻³), значения показателя a_tot-w(438) изменялись более чем на порядок (0,021–0,97 м⁻¹). Средние значения TChl-a изменялись на порядок от 0,41 ± 0,26 мг×м⁻³ до 6,0 ± 2,3 мг×м⁻³ в ряду Баренцево море – Северный Ледовитый океан – крымские прибрежные воды – Южный океан – Норвежское море – Телецкое озеро – озеро Байкал – Азовское море. Показатель a_tot-w(438) в среднем изменялся тоже на порядок от 0,063 ± 0,039 м⁻¹ до 0,90 ± 0,21 м⁻¹ в ряду Северный Ледовитый океан – Южный океан – Баренцево море – Норвежское море – крымские прибрежные воды – озеро Байкал – Азовское море – Телецкое озеро (табл. 2). На основании средних значений TChl-a (табл. 2) можно сделать вывод, что наиболее трофным регионом из числа исследованных является Азовское море. Во всех регионах в поглощении света преобладала неживая оптически активная компонента среды CDM (= NAP + CDOM). При этом в Телецком озере CDM доминировало в общем поглощении света в большей степени, чем это наблюдали в самых трофных водах – в Азовском море. В результате этого максимальные значения a_tot-w(438) отмечены в Телецком озере. Фактически это связано с отличительной особенностью этого водоема, заключающейся в преобладании неживой взвеси в поглощении света всем взвешенным веществом ($a_{NAP}\left(438\right)>a_{ph}\left(438\right)$), что обусловлено влиянием обильного берегового стока на биооптические показатели озера. Эта особенность Телецкого озера отличает его от других исследованных акваторий, где фитопланктон доминирует в поглощении света взвешенным веществом.

Для всех исследованных акваторий установлено отсутствие сопряженности в изменчивости показателей $a_{ph}\left(\lambda \right)$ и $a_{CDOM}\left(\lambda \right)$ , а следовательно, и отсутствие сопряженности между TChl-a и a_tot-w(438).

Обобщенные результаты, полученные в водах (глубоководный и прибрежный район Черного моря, Азовское море и Телецкое озеро) с различающимися более чем на порядок значениями показателя $a_{tot-w}\left(\lambda \right)$, были использованы для получения количественных связей:

1) между Z_eu и $a_{tot-w}\left(\lambda \right)$ в поверхностном слое водоема. В связи с тем, что Z_eu связана с показателем диффузного ослабления фотосинтетически активной радиации K_d ($K_d=𝐾d=4,6/{𝑍}_{eu}$) [35], можно K_d оценивать по $a_{tot-w}\left(\lambda \right)$;

2) между λ_max около нижней границы зоны фотосинтеза и $a_{tot-w}\left(\lambda \right)$ в поверхностном слое моря [44]:

${\lambda }_{max}=579\bullet a_{tot-w}(438{)}^{0,057},r^2=0,99$;

$Z_{eu}=7,96\bullet a_{tot-w}(438{)}^{-0,727},r^2=0,96$.

Принимая во внимание, что $a_{tot-w}\left(\lambda \right)$ представляет сумму показателей $a_{ph}\left(\lambda \right)$+$a_{CDM}\left(\lambda \right)$ , которые восстанавливаются с помощью регионального алгоритма Chl-CDM, установленные количественные связи позволяют увеличить число параметров (за счет добавления Z_eu, K_d и λ_max), восстанавливаемых на основе спутниковых данных, используя региональный алгоритм Chl-CDM.

Установленные регионально специфические коэффициенты параметризации поглощения света всеми оптически активными компонентами среды (табл. 1–3) позволяют модифицировать региональный трехканальный алгоритм Chl-CDM [11] и расширить географию применения этого алгоритма. Полученные региональные коэффициенты связи между TChl-a и $a_{ph}\left(\lambda \right)$ на длине волны 490 нм (табл. 1) позволят корректно определять TChl-a на основе восстановленного значения $a_{ph}\left(490\right)$. Регионально установленные коэффициенты связи TChl-a и $a_{ph}\left(490\right)$ обусловлены так называемым эффектом упаковки, то есть влиянием упаковки пигментов в клетках на способность этих клеток поглощать свет. Следовательно, связь TChl-a и $a_{ph}\left(\lambda \right)$ учитывает (косвенно) адаптивные изменения фитопланктона на уровне клетки и сообщества в ответ на изменения факторов среды конкретной акватории. Установленные региональные связи между $a_{CDM}\left(490\right)$ и спектральным наклоном S_CDM (табл. 3) позволят корректно восстанавливать $a_{CDM}\left(490\right)$. Регионально специфические коэффициенты этой связи позволят (косвенно) учитывать соотношение между NAP и CDOM, а также химическую структуру CDOM [36], которая определяет спектральный наклон $a_{CDOM}\left(\lambda \right)$ в конкретной акватории. Регионально специфические коэффициенты параметризации поглощения света оптически активными компонентами среды (табл. 1–3) позволят адаптировать алгоритм Chl‑CDM [11] к исследованным акваториям.

Выводы

Региональные связи между показателями $a_{ph}\left(\lambda \right)$ и TChl-a на основе значения $a_{ph}\left(\lambda \right)$, восстанавливаемого с помощью региональных алгоритмов (в том числе и трехканального алгоритма Chl-CDM), так как параметризация связи между показателями $a_{ph}\left(\lambda \right)$ и TChl-a учитывает (косвенно) влияние условий среды на состав и концентрацию пигментов в клетках фитопланктона, а также на размерно-видовую структуру фитопланктона. Установленные регионально специфические связи между $a_{CDM}\left(490\right)$ ($a_{CDM}\left(490\right)=a_{NAP}\left(490\right)+a_{CDOM}\left(490\right)$) и S_CDM используются при восстановлении параметра $a_{CDM}\left(490\right)$. Регионально специфические коэффициенты параметризации поглощения света NAP и CDOM позволяют (косвенно) учитывать соотношение между NAP и CDOM, а также химическую структуру CDOM, которая определяет спектральный наклон поглощения света CDOM в конкретном регионе.

На основе эмпирически установленных зависимостей были предложены дополнительные индикаторы качества водной среды (глубина зоны фотосинтеза и спектральные свойства света в море), которые можно оценивать с использованием спутниковых данных.

Развитие региональных алгоритмов на основе эмпирически установленных зависимостей открывает перспективу оперативного мониторинга состояния водных экосистем на основе набора индикаторов качества и продуктивности вод. Это позволит отслеживать распространение органического растворенного вещества и взвешенного вещества в прибрежных водах, подверженных бытовым и промышленным стокам. А также оценивать влияние стоков на прозрачность вод, что критично для функционирования первично продукционного звена экосистемы, а следовательно, и в целом для водной экосистемы.

Sobre autores

Т. Churilova

A. O. Kovalevsky Institute of Biology of the Southern Seas, Russin Academy of Sciences

Autor responsável pela correspondência
Email: tanya.churilova@ibss-ras.ru
ORCID ID: 0000-0002-0045-7284
Código SPIN: 2238-9533
Scopus Author ID: 6603622802
Researcher ID: O-8437-2016

ведущий научный сотрудник, руководитель лаборатории фотосинтеза и биооптики моря, кандидат биологических наук

Rússia, Sevastopol

Т. Efimova

A. O. Kovalevsky Institute of Biology of the Southern Seas, Russin Academy of Sciences

Email: tefimova@ibss-ras.ru
ORCID ID: 0000-0003-3908-4160
Código SPIN: 1668-0742
Scopus Author ID: 57194423783
Researcher ID: X-1355-2019

кандидат биологических наук, старший научный сотрудник лаборатории фотосинтеза и биооптики моря

Rússia, Sevastopol

N. Moiseeva

A. O. Kovalevsky Institute of Biology of the Southern Seas, Russin Academy of Sciences

Email: moiseeva@ibss-ras.ru

научный сотрудник лаборатории фотосинтеза и биооптики моря

Rússia, Sevastopol

E. Skorokhod

A. O. Kovalevsky Institute of Biology of the Southern Seas, Russin Academy of Sciences

Email: elenaskorokhod@ibss-ras.ru
ORCID ID: 0000-0002-3057-3964
Código SPIN: 3314-5775
Scopus Author ID: 57215009764
Researcher ID: A-6831-2019

научный сотрудник лаборатории фотосинтеза и биооптики моря

Rússia, Sevastopol

D. Kalmykova

A. O. Kovalevsky Institute of Biology of the Southern Seas, Russin Academy of Sciences

Email: daria-k.kalmykova@ibss-ras.ru
Scopus Author ID: 58688288100

младший научный сотрудник лаборатории фотосинтеза и биооптики моря

Rússia, Sevastopol

I. Sutorikhin

Institute for Water and Environmental Problems of SB of Russian Academy of Sciences

Email: sia@iwep.ru
ORCID ID: 0000-0002-7037-4812
Código SPIN: 2990-6901

главный научный сотрудник лаборатории гидрологии и геоинформатики, доктор физико-математических наук, профессор

Rússia, Barnaul

V. Kirillov

Institute for Water and Environmental Problems of SB of Russian Academy of Sciences

Email: vkirillov@iwep.ru
ORCID ID: 0000-0003-1080-737X
Código SPIN: 7749-7710

кандидат биологических наук, доцент, заведующий Лабораторией водной экологии

Rússia, Barnaul

Bibliografia

Arquivos suplementares