Научный отчет 2009 года - МГУ им. адм. Г.И. Невельского

Экспедиции ДВПУ 2009-2010 г.г. были посвящены исследованиям
уникального явления, которое случилось в июне 2009 г. – крупному
извержению одного из вулканов Курильских островов – Пик Сарычева,
расположенному на о. Матуа. Остров Матуа расположен в Южной части гряды
Курильских островов, по существу это остров–вулкан (пик Сарычева). Такое
извержение вулкана, которое началось 12 июня 2009 г, для нашего региона не
наблюдалось на протяжении всей истории наблюдений, которая насчитывает
почти 300 лет. Выбросы пепла поднялись на высоту более 21 км. Фотография
извержения вулкана Пик Сарычева, полученная с борта международной
космической станции «Альфа», приведена на рис.1.
Рис.1. Извержение вулкана на о. Матуа.
Курильские вулканы являются частью вулканов, расположенных внутри
тихоокеанского «огненного кольца» - системы активных вулканов, которые
рассматриваются как климатообразующий фактор и фактор, влияющий на
морские экосистемы Тихого океана. Извержения вулканов, расположенных на
Курильских остовах, Камчатке, Аляске существенным образом сказываются на
радиационный баланс Северо-Западной части Тихого океана и воздействуют на
функционирование фитопланктонных сообществ акваторий этого региона.
Два года подряд (2009-2010 г.г.) экспедиции ДВПУ проводили
исследования последствий воздействия этого извержения на радиационно
активные компоненты атмосферы над Охотским и Японскими морями и на
состояние фитопланктонных сообществ Охотского моря. В 2009 г., сразу после
извержения вулкана ДВО РАН организовала экспедицию на судне «Сените» в
состав экспедиции вошла команда ДВПУ, которая и проводила мониторинг
атмосферы и морской воды. В ней приняли участие сотрудники ТОИ ДВО РАН
им. В.И. Ильичёва, ИАПУ ДВО РАН, ИМГИГ ДВО РАН и МГУ им. адм. Г.И.
Невельского.
1. Проведение натурных экспериментов в Охотском море в 2009 г.
Цель работ – исследование отклика динамики радиационно-активных
компонентов атмосферы и фитопланктонных сообществ Охотского моря на
извержение вулкана пик Сарычева.
Задачами экспедиции являлось выполнение следующих исследований,
проводимых в основном на ходу судна:
- измерение
пространственно-временной
динамики
вертикальной
структуры атмосферного аэрозоля;
- определение микрофизических параметров атмосферного аэрозоля;
- получение пространственно-временного распределения биооптических
и гидрологических параметров верхнего слоя океана;
- определение газового состава атмосферы;
- проведение подспутниковых измерений.
1.1.
Район работ
Маршрут в Охотском море от г. Корсаков до о. Матуа, акватория около о.
Матуа, маршрут от о. Матуа вдоль Курильских островов на юг к г. Корсаков.
Рисунок 4.20 – Район исследований и маршрут проведенных измерений.
Средства измерений и обработки данных
1.2.
Одночастотный судовой лидар (разработка авторов проекта)
Источник возбуждающего излучения:
NdYAG
laser
brilliant
ultra
(фирма
Quantel)
Длина волны зондирования: 532нм
Лидар
позволяет
проводить
измерение
вертикальных
профилей
обратного
рассеяния
излучения
в
Рисунок 4.21 – Расположение
атмосфере в диапазоне высот от 0.4 до
лидара в радиорубке судна
3-5 км днем и от 0.4 до 10-15 км ночью с
"Сените".
разрешением 15 метров. Измерения
возможно проводить на ходу судна,
пространственное
разрешение
при
стандартном
режиме
накопления
сигнала и скорости судна 8 узлов
составляет 3-4 км.
Обработка
сигнала
лидарного
зондирования
проводится
специализированной стандартной программой TropoServer.
Ручной спектрорадиометр (Analytical Spectral Devices)
Измеряет спектры оптического излучения
в диапазоне от 350 нм до 1050 нм с шагом 1 нм.
Позволяет
проводить
измерения
спектров
яркости солнца, неба, восходящего из морской
воды излучения в атмосфере и в толще морской
Рисунок 4.22 –
воды.
Данные,
получаемые
спектрорадиометра,
параметры
позволяют
диапазоне
использованы
спутниковых
региональных
при
атмосферы
в
измерений,
спектральном
также
могут
атмосферной
данных
Спектрорадиометр ASD.
исследовать
компонентов
радиационно-активных
со
быть
коррекции
и
разработке
биооптических
спутниковых
алгоритмов.
Солнечный фотометр SPM (Институт оптики атмосферы СО РАН)
Измеряет
спектр
солнечного
излучения,
достигшего поверхности морской воды, в спектральном
диапазоне 0.4 – 2 мкм в 12 различных спектральных
каналах. Данные, получаемые с фотометра, позволяют
исследовать
параметры
радиационно-активных
измерений.
в
компонентов
спектральном
атмосферы
диапазоне
Рисунок 4.23 –
Фотометр SPM.
Лазерный проточный флуориметр ФЛ-3 (разработка авторов проекта).
Источник возбуждающего излучения: NdYAG laser brilliant ultra (фирма
Quantel);
длина волны возбуждения: 532 нм;
спектральный диапазон регистрации: 540 – 770 нм.
Флуориметр показан на рис. 4.24. Позволяет оперативно на ходу судна
измерять спектры лазерно-индуцированной флуоресценции морской воды, из
которых
возможно
восстановление
концентрации
хлорофилла-а,
растворенного органического вещества (РОВ) и некоторых дополнительных
пигментов клеток фитопланктона.
Измерения осуществляются с помощью системы прокачки морской
воды.
Пространственное
разрешение
составляет
50
-
250метров
в
зависимости от времени накопления сигнала при скорости судна 8 узлов.
Термосолинограф SBE-45 (SeaBird)
Измеряет температуру и соленость морской воды на ходу судна через
систему прокачки (рис. 4.24б). Первичная обработка данных ведется в
специализированном программном обеспечении SBE Data Processing.
Газоанализатор СО2 и Н20 Li-840 (Licor).
Через систему прокачки воздуха со скоростью не более 1 литра в
минуту обеспечивает измерения концентрации СО2 и Н2O в атмосфере на
ходу судна (рис. 4.24в,г,).
На рис. 4.24г показано расположение флуориметра, термосолинографа
и
газоанализатора
на
судне
Сените.
Все
оборудование
было
синхронизировано по времени измерений. Время накопления сигнала для
каждого
из
приборов
составляло
10
секунд,
что
обеспечивало
пространственное разрешение получаемых данных около 50 метров.
(а)
(б)
(в)
(г)
Рисунок 4.24 – (а) Лазерный флуориметр ФЛ-3; (б)
Термосолинограф SBE-45; (в) Газоанализатор Li-840; (г)
Расположение приборов (а-в) и управляющего
компьютера в агрегатной радиооборудования судна
"Сените".
Сбор проб осаждающихся частиц в атмосфере
Частицы собирались в специально подготовленные чистые емкости с
дистиллированной водой. Система сбора пыли (рис. 4.25) была установлена
на носу судна и огорожена экраном для уменьшения влияния фоновых
выбросов с судна.
Рисунок 4.25 – Система сбора пыли на судне "Сените".
Параллельно со всеми измерениями непрерывно на протяжении всей
экспедиции работал приемник GPS для географической привязки измерений.
Анализ данных был проведен в среде MatLab.
1.3.
Объем выполненных работ
Лидарное зондирование
Суммарно получено 38 профилей высотного зондирования обратного
рассеяния лазерного излучения в атмосфере из них 9 профилей ночного
зондирования при безоблачной атмосфере.
Радиометрическое пассивное зондирование
Проведено
80
серий
измерений
спектров
яркости
солнечного
излучения, достигшего морской поверхности. Каждая из серий насчитывала
100 спектров, среди которых выбирался максимальный по суммарной
интенсивности.
Проведен
эксперимент
по
подспутниковым
калибровочным
измерениям спектров яркости восходящего излучения моря. Получена серия
измерений яркости восходящего излучения моря и соответствующая яркость
неба под сопряженным углом (всего 200 спектров).
Флуориметрия морской воды
Измерено 44702 спектров лазерной индуцированной флуоресценции
морской воды по ходу судна, проведено 15 серий кривых насыщения
флуоресценции морской воды и измерено 96 спектров в пробах морской
воды
около
вулкана
пик
Сарычева.
Общая
длина
маршрута
с
флуориметрическими измерениями составила более 1500 км.
Гидрологические работы
Получено 50832 измерений температуры и солености по ходу судна.
Общая длина маршрута, вдоль которого получены данные, составила более
1500 км.
Сбор проб осаждающихся частиц в атмосфере
Отобрано 8 проб пыли, 5 проб отобрано по ходу судна, 2 пробы
непосредственно около вулкана пик Сарычева, 1 проба – общий сбор пыли за
все время экспедиции.
Сбор проб морской воды около вулкана пик Сарычева
Отобрано 8 проб морской воды около Вулкана пик Сарычева,
охватывающие различные типы вод.
Газоанализ диоксида углерода и паров воды в атмосфере
Получено 41394 измерение СО2 и Н2О в атмосфере с накоплением 10
секунд. После обработки и фильтрации сбойных и некорректных измерений
осталось 1701 измерение с временным разрешением 4 минуты. Общая длина
маршрута измерений составила более 1000 км.
1.4.
Предварительные научные результаты работ
1. Обнаружены слои вулканического аэрозоля на высотах в диапазоне
1.8-4 км и в области тропопаузы в диапазоне 8-10 км на расстоянии более 100
км от вулкана пик Сарычева в Охотском море и на расстоянии более 500км
около о. Итуруп.
Рисунок 4.26 – Лидарное зондирование атмосферы в районе извержения вулкана пик Сарычева 12.06.2009, (а-в)
вертикальные профили коэффициента обратного рассеяния β; (г) географическое положение лидарных измерений; (д)
фотография вулкана в период исследований
На
рис.
4.26а-б
представлено
пространственное
распределение
вертикальных профилей коэффициента обратного рассеяния аэрозоля (β)
вдоль
маршрута
в
Охотском
море,
показанного
на
рис.
4.26г.
Соответствующие фотографии зондируемой атмосферы показаны на рис.
4.27. Данные получены на ходу судна днем 25 июня 2009 года и в ночь с 25
на 26 июня. Общая протяженность маршрута составила 160 км, расстояние от
первой точки измерений до вулкана пик Сарычева около 200 км. Как видно
из представленных фотографий в области зондирования не наблюдалось
облаков, кроме этого форма пиков выше 1 км имеет "размытый" вид, что
характерно для аэрозольных слоев. Это дает основания предполагать, что
наблюдаемые слои имеют аэрозольную природу. Повышенное рассеяние
излучения до высот около 1 км вызвано наличием приводной дымки.
(а)
(б)
(в)
Рисунок 4.27 – Фотографии состояния атмосферы во время лидарного
зондирования на ходу судна. (а) дневные измерения 25.06.2009; (б-в) ночные
измерения 25-26.06.09
26 июня 2009 года около вулкана пик Сарычева проведены суточные
измерения вертикальных профилей β. Временное распределение данных в
течение дня показано на рис. 4.26в, географическое положение – красная
точка на рис. 4.26г, фотографии состояния атмосферы во время зондирования
представлены на рис. 4.28. На рис. 4.29 показан шлейф парогазового выброса
вулкана, распространяющегося в южном направлении. Зондирование
проводилось в одной точке. Наиболее мощные слои зарегистрированы на
высотах от 2 км, высокая оптическая плотность аэрозольных слоев не
позволила провести регистрацию сигнала выше 4 км.
(а)
(б)
(в)
Рисунок 4.28 – Состояние атмосферы около вулкана пик Сарычева во время
суточной станции 26.06.2009.
Рисунок 4.29 – Шлейф парогазового выброса вулкана 26.06.2009,
распространяющийся в южном направлении.
Около о. Итуруп на расстоянии более 500 км от вулкана пик Сарычева
за слоями облачности обнаружены аэрозольные слои на высотах в диапазоне
8-10 км и выше 11 км (профили на рис. 4.30б). Возможно, на высотах в
диапазоне 2-3км также обнаружены слабые аэрозольные слои, наблюдаемые
на данных рис. 4.26а-в. Для подтверждения этого факта необходим
дополнительный анализ данных.
Рисунок 4.30 – Профили высотного зондирования обратного рассеяния
излучения в атмосфере, полученные 01.07.2009 около о. Итуруп.
(а)
(б)
(в)
Рисунок
4.31
–
Состояние
атмосферы
во
время
лидарного
зондирования атмосферы 01.07.2009. (а), (б) утренние измерения профилей
рис. 4.30а. На фотографиях виден вулкан Богдана Хмельницкого, высота
которого составляет около 1500м; (в) дневные измерения профилей рис.
4.30б.
2. Проведены суточные серии спектрофотометрических измерений
солнечного излучения, достигающего поверхности моря.
На рис. 4.32 показан пример спектров за 25 июня 2009 г. и суточный
ход интегральной яркости солнечного излучения. На рис. 4.33 изображено
соответствующее состояние атмосферы при измерениях.
На рис. 4.32б видно, что общая яркость солнечного излучения меняется
в зависимости от положения на небосводе. В дальнейшем, учитывая время и
географические
координаты
измерений,
данные
позволят
получить
интегральную по всему атмосферному слою оценку оптической толщины
аэрозоля, распределения частиц по размерам, некоторых компонентов
газового состава атмосферы.
(а)
(б)
Рисунок 4.32 – Данные спектрофотометрических наблюдений 25.06.2009,
цветом показано время измерений. (а) Спектральная плотность яркости
солнечного излучения L(λ), достигшего морской поверхности; (б) Временной
ход интегральной яркости солнца в рассматриваемом спектральном
диапазоне (L) в течение дня.
Рисунок 4.33 – Состояние атмосферы 25.06.2005 во время
спектрофотометрических наблюдений.
3.
Получены
данные
о
биооптических
и
гидрологических
характеристиках верхнего слоя моря, включая данные о характерных
пространственных
структурах
и
характерных
временных
масштабах
вариаций в приповерхностном слое моря по всему маршруту экспедиции.
Полученные данные о пространственно-временном распределении
концентрации хлорофилла-а и растворенного органического вещества (РОВ)
в морской воде, совместно с данными лидарного зондирования атмосферы и
спектрофотометрического зондирования солнечного излучения, излучения
неба и восходящего из морской воды излучения будут использованы при
разработке
спутниковых
алгоритмов
восстановления
концентрации
хлорофилла-а в морской воде.
Данные о распределении концентрации хлорофилла-а, совместно с
данными о гидрологических характеристиках морской воды, и параметрах,
характеризующих атмосферный перенос вулканического аэрозоля, будут
использованы при анализе воздействия вулканического аэрозоля на
функционирование фитопланктонных сообществ.
Непосредственно около вулкана пик Сарычева отобрано 8 проб
морской воды из вод различного типа, в которых был проведен экспрессанализ концентрации хлорофилла-а и РОВ. На рис. 4.34 показаны
полученные спектры флуоресценции проб морской воды.
Рисунок 4.34 – Спектры флуоресценции проб морской воды,
отобранных около вулкана пик Сарычева. Цветом обозначен порядковый
номер взятия пробы.
На рис. 4.35 показано пространственное распределение концентрации
хлорофилла-а (а) и РОВ (б). В таблице 4.6 приведены оценочные значения
концентрации хлорофилла-а (CChlA) и РОВ (CDOM) и дано краткое описание
каждой точки с фотографией.
(а)
(б)
Рисунок 4.35 – Пространственно-временное распределение
концентрации хлорофилла-а (а) и РОВ (б) в районе вулкана пик Сарычева.
Таблица 4.6 – Места отбора проб морской воды около вулкана пик Сарычева.
Проба морской воды W01
CChlA = 0.6 мг/м3
СDOM = 1.8 мг/м3
Бухта
Айну,
место
высадки
наземной экспедиции
Проба морской воды W02
CChlA = 0.2 мг/м3
СDOM = 0.8 мг/м3
Место стоянки судна, холодные и
относительно соленые
океанические воды
Проба морской воды W03
CChlA = 0.9 мг/м3
СDOM = 0.7 мг/м3
Выход второго потока в морскую
воду, граница живого/мертвого на
суше
Проба морской воды W04
CChlA = 0.6 мг/м3
СDOM = 0.7 мг/м3
Место скопления большого числа
птиц "топорков"
Проба морской воды W05
CChlA = 0.14 мг/м3
СDOM = 1.0 мг/м3
Поток 7, вода другого цвета,
предположительно более серная
Проба морской воды W06
CChlA = 0.0 мг/м3
СDOM = 3.0 мг/м3
Выход вод теплого озера в море
Проба морской воды W07
CChlA = 1.3 мг/м3
СDOM = 1.2 мг/м3
Поток 8, визуально грязная морская
вода
Проба морской воды W08
CChlA = 0.22 мг/м3
СDOM = 1.3 мг/м3
Поток 12, визуально грязная
морская вода
Полученные, в результате проведения натурных измерений данные
позволят провести оценки воздействия конкретного извержения на динамику
радиационно активных компонентов атмосферы в северо – западной части
тихого океана и возможного изменения состояния фитопланктонных
сообществ.
Результаты данного раздела были использованы при написании
следующих работ:
1. Левин Б.В., Рыбин А.В., Разжигаева Н.Г., Василенко Н.Ф., Фролов Д.И.,
Майор А.Ю., Салюк П.А., Жарков Р.В., Прытков А.С., Козлов Д.Н., Чернов
А.Г., Чибисова М.В., Гурьянов В.Б., Коротеев И.Г., Дегтерев А.В.
Комплексная экспедиция «Вулкан Сарычева – 2009» (Курильские острова) //
Вестник ДВО РАН. 2009. № 6
2. Pavel A. Salyuk, Oleg A. Bukin, Alexander Yu. Mayor, Andrey N. Pavlov and
Konstantin A. Shmirko Atmosphere aerosol and marine ecosystems after Sarychev
Peak Volcano eruption of June 2009 // Proceedings of PICES 18th Annual
Meeting. "Understanding ecosystem dynamics and pursuing ecosystem approaches
to management". PICES-2009. Jeju, Korea, October 23-November 1, 2009.
3. I. E. Stepachkin, P. A. Salyuk, O. A. Bukin, D. A. Akmaykin (Russia)
Investigation of tropical cyclone influence on phytoplankton communities state in
the north-western Pacific by the ocean color data from 1979 to 2009 // Proceedings
of IV International Conference "Current problems in Optics of Natural Waters."
ONW-2009. St.-Peterburg, Russia. 8-12 September 2009.
4. Optical properties of the Peter the Great Bay waters and their comparative
analysis with satellite ocean colour data (направлено в печать в International
Journal of Remote Sensing)
5. P.A. Salyuk, A.N. Pavlov, A.Yu. Mayor, V.A. Krikun (Russia)
Developing of Regional biooptical algorithm of chlorophyll-a and dissolved
organic matter concentration retrieving from MODIS-Aqua ocean color data for
the Peter the Great Bay // Proceedings of IV International Conference "Current
problems in Optics of Natural Waters." ONW-2009. St.-Peterburg, Russia. 8-12
September 2009.