Глава 5 - Pacificinfo.ru

5. Морские научные исследования в рейсе
НИС «Малахит» № 100 «э» и НИС «Импульс» №49, № 50
(руководитель С.П. Захарков)
5.1. Введение
Экспедиции проведены в рамках выполнения тем научно-исследовательских работ ТОИ
ДВО РАН «Изучения внутреннего волнения в прибрежной зоне Японского моря» и
«Исследование ключевых физических процессов, определяющих изменчивость
океанологических полей как основы изменений климата, биопродуктивности и состояния
экосистем в северо-западной части Тихого океана и дальневосточных морях.» и грантов
РФФФИ и РФФИ - ДВО РАН.
5.2. Цели экспедиции
Определение влияния внутренних волн на распределение температуры
первичной продукции фитопланктона.
и величину
5.3. Задачи экспедиции
1. Экспериментальные исследования распределения фитопланктона в Заливе Петра
Великого и в том числе в синоптических вихрях существующих в данной акватории.
2. Проведение, измерений температурного поля, вариации которого вызваны, главным
образом, нелинейным внутренним волнением различного частотного диапазона.
3. Калибровка данных профилографов по флуоресценции хлорофилла.
5.4. Методы измерений и обработки данных
Отбор проб воды для анализа на содержание пигментов: хлорофилла -а, в, с, каротиноидов
и феофетина а производился с НИС вместе с пробами на определение количественных и
качественных характеристик фитопланктона с помощью батометров Нискина объёмом 5
литров. Отобранные пробы объёмом 1-1,5 л около 2-3 часов фильтровались через
мембранные фильтры “Whatman” или “Vladipor” диаметром 35 мм c размером пор 0,6
мкм. Фильтрация осуществлялась под давлением, не превышающим давление 1,5 м
водяного столба. Образцы фильтров замораживались и хранились при температуре -18º С
в лаборатории на берегу, где впоследствии их экстрагировали и подготовленный экстракт
анализировали спектрофотометрически для определения следующих параметров: хлорофилла- а, хлорофилла-b, хлорофилла-с1+с2 и феофитина-а. Стандартный
спектрофотометрический метод основан на анализе спектров поглощения экстракта
хлорофилла-а в 90% ацетоне (Кобленц-Мишке 1983; SCOR-Unesco. 1966). Точность этого
метода зависит от абсолютной величины концентрации хлорофилла-а (Ведерников и др
1973). Необходимо отметить, что концентрация хлорофилла-а, определяемая этим
методом, фактически характеризует суммарную концентрацию хлорофилла-а и
феофитина-а. Концентрация хлорофилла-a определялась по оптическим плотностям
экстракта хлорофилла, измеренным на трёх длинах волн на спектрофотометре по
формуле Джеффри – Хамфри (Современные методы… 1983) и приведённой в ГОСТе
(ГОСТ, 1991):
схл.а  (11.85D664  1.54 D647  0.08D630 ) *
Vэкстр
Vф
, (2.1)
Концентрации хлорофилла - в и хлорофилла - с рассчитывались по формулам:
схл.в  (5,43D664  21.03D647  2,66 D630 ) *
Vэкстр
схлс1  с 2  (1,67 D664  7,6 D647  24,52 D630 ) *
Vф
,
Vэкстр
Vф
,
где схл.а - концентрация хлорофилла -a; схл в – концентрация хлорофилла - в, с с1+с2 –
концентрация хлорофилла – с, D664, D647, D630- оптическая плотность экстракта в белах на
длинах волн 664 нм, 647 нм, 630 нм; Vэкстр – объём экстракта, находящегося в
измерительной кювете; Vф – объём профильтрованной воды в пробе. Заметим, что в
приведённом выше методе оценки концентрации хлорофилла-а эта величина определяется
через регистрацию оптической плотности экстракта, приготовленного из пробы, а не через
флуоресценцию нативных (живых) клеток. Ориентировочный расчет относительного
содержания феофитина-а ведется по формуле Ведерникова В.И. и соавт. (Ведерников и др
1973).
сФ 
(1,7 D665k  D665 )100
,% ,
0.7 D665k
где Сф % - содержание феофитина-а в процентах от суммы хлорофилла-а и феофитина-а;
D665, D665k- оптическая плотность на волне 665нм до и после подкисления экстрактов.
Определение ПП проводилось с использованием радиоуглеродной модификации
скляночного метода, в котором для расчета интегральной продукции скорость
фотосинтеза измеряется на 4-х горизонтах, соответствующих 100 (поверхность), 46, 10,
1% подповерхностной освещенности. За нижнюю границу эвфотической зоны
принимается глубина, до которой достигает 1% проникающей в воду радиации.
Глубины отбора проб, соответствующие указанным «световым» горизонтам,
рассчитываются с использованием закона ослабления света в столбе воды БугераЛамберта-Бера и данных по глубине видимости диска Секки. Так освещенность 1%
проникающей в воду радиации наблюдалась на горизонте, равном трём глубинам
видимости диска Секки (Pilgrim 1987). Соответственно горизонты 46, 10%
подповерхностной освещенности находились на глубинах, равных 0,5 и 1,5 глубинам
видимости диска Секки. Пробы воды в склянках (по 2 светлых и 1 темной на каждый
горизонт) помещали в палубные инкубаторы, в которых с помощью нейтральных
светофильтров имитировались световые условия на горизонтах отбора проб. Температура
воды в инкубаторе поддерживалась с точностью +/- 1° С. . Время экспозиции склянок в
аквариуме составляло около двух часов. Пробы отобранные после 16 часов сразу не
разливались по склянкам, а выдерживались в 2 литровых бутылях на палубе до утра
следующего дня. В 9 часов утра их разливали в склянки для экспозиции. Для вычисления
суточных величин первичной продукции (Pсут)использовали методику предложенную
Ю.И.Сорокиным (Сорокин1997). Начиная с 1960-х годов, такая схема считается наиболее
перспективной для исследования первичной продукции фитопланктона, особенно при
работе в морях и открытой части океана. После экспонирования пробы планктона
фильтровались через мембранные фильтры «ФМАЦ- 0,45». После фильтрования фильтр
хранится для дальнейшей обработки в камеральных условиях. Радиоактивность
планктона, сконцентрированного после экспозиции на мембранные фильтры, измеряется
по стандартной методике на жидкостно-сцинтилляционном радиометре . Первичная
продукция под единицей площади (1 м2) за сутки рассчитывается суммированием ее
величин для слоев воды, заключенных между глубинами экспонирования проб. В объеме
каждого слоя величина продукции определяется по средней интенсивности фотосинтеза,
вычисленной на основании результатов измерений на граничных горизонтах Зондом CTD
Sea-Bird SBE19plus. проводились вертикальные зондирования, во время которых
проводились измерения температуры, гидростатического давления и электропроводности
морской воды. Ошибки измерений зондом не превышали 0.005°С по температуре и 0.0005
Сименс/метр по электропроводности.
5.5. Используемые технические средства и их краткая характеристика
Профилографы SBE-19plus и RBR с частотой измерений 4 Гц и возможностью
погружения в морскую воду до глубины 350 метров.
Профилографы включают:
датчики температуры морской воды, диапазон измерений -5оС +35оС, точность 0.005оС;
-датчики удельной электропроводности морской воды, диапазон измерений 0-9 См/м,
точность 0.0005 См/м;
- тензометрические датчики давления морской воды, диапазон измерений 0-600 метров,
точность 0.6 метра, разрешение 0.012 метра;
-флуоресцентный датчик концентрации хлорофилла-а с чувствительностью от 0.03 мкг/л,
диапазон измерений 0.03 – 75 мкг/л (про-во WetLabs). А также ряд датчиков не
используемых в нашем исследовании.
Установка для измерения ЗФ, фильтровальная установка, батометры
5.6. Объемы выполненных работ
Выполнено:
- постановка( 2)
и снятие (2) автоматических буйковых станций (АБС) с
програмируемыми датчиками со временем зкспозиции около 30 суток, две суточные
станции около МЭС «Шульц» в районе постановки АБС;
- 70 станций глубинного зондирования с помощью CTD зонда (температура и соленость
морской воды, и флуоресценция растворенного органического вещества и хлорофилла-а
в морской воде, излучение доступное для фотосинтеза);
- 36 станций с испольованием погружного спектрофлуориметра.
В 18 пробах определялась первичная продукция и в 46 концентрация пигментов
фитопланктона.
5.7. Предварительные научные результаты
Для продолжения исследований динамики внутренних волн в прибрежной зоне Японского
моря осенью 2011 г. с помощью двух притопленных автономных буйковых станций
(ПБС), разнесённых на расстояние ~ 6.0 км, было организовано наблюдение за полем
ВГВ. С использованием ПБС_2, 3 на горизонтах: z=-34, -28, -18 метров с частотой опроса
1 мин-1 термографами, разработанными компанией Onset, проводились измерения
температуры с точностью 0.2 0C и разрешающей способностью 0.02 0C .
Рис. 1. Карта – схема района проведения эксперимента 2011 года. Цифрами (1, 2, 3, 4)
обозначены места постановки береговой оптической системы, притопленных буйковых и
суточной станций, соответственно. Отрезками прямых отмечено положение фронтов
яркости - (а). Панорамное изображение прибрежной зоны полуострова Гамова с
поверхностным проявлением внутренних волн (ППВВ), спроецированное на
горизонтальную поверхность - (б)
Во время сентябрьского эксперимента в точке с координатами (420 35.04’ N, 1310 07’ E)
была выполнена суточная станция (ц.4 на рис.1а), на которой с 8 час 23 мин зондом CTD
Sea-Bird SBE19plus. с дискретностью 1 час было выполнено 25 вертикальных
зондирований, во время которых проводились измерения температуры, гидростатического
давления и электропроводности морской воды. Ошибки измерений зондом не превышали
0.005°С по температуре и 0.0005 Сименс/метр по электропроводности.
Для исследования поверхностных проявлений внутренних волн (ППВВ) в прибрежной
зоне Японского моря использовалась береговая панорамная видеосистема контроля
состояния морской поверхности (ВКМП), установленная на полуострове Гамова на
высоте 92 м над уровнем моря в точке с координатами (420 34.9’N; 1310 9.34’E). ВКМП
включает панорамную поляризационную камеру – регистрирующий элемент, которой
состоит из собственно видеокамеры в безкорпусном исполнении, размещённом в
промышленном термокожухе К15/5-70-12 ОЛЕВС. Кожух с камерой жестко закреплен на
оси шагового двигателя, установленного на треугольной панели.
Угол поворота камеры при формировании отдельных кадров и количество кадров,
определяющее угловые размеры панорамы, задавался программой управления камерой.
Поскольку в каждый момент захвата изображения известна ориентация видеосистемы
относительно географической системы координат и высота расположения камеры, то не
представляет труда рассчитать матрицу перехода из одной системы в другую и
спроицирровать изображение на горизонтальную плоскость, осуществив его привязку к
географической системе координат. На рис. 1б показано панорамное изображение района
эксперимента, спроецированное на горизонтальную поверхность с привязкой к
географической системе координат. Применение методов цифровой обработки
изображений, к упорядоченной по времени системе изображений с привязкой к
географической системе координат, позволяет оценить пространственные размеры и
скорость перемещения изучаемых объектов.
Для анализа оптических изображений поверхностных проявлений ВГВ, полученных
береговой ВКМП использовались результаты панорамной видеосъёмки (сектор обзора
265 градусов период регистрации панорамных изображений -17 сек. угловое разрешение
камеры 1.75 градусов на пиксель). В работе использованы изображения, полученные в
10:31; 10: 44; 10:57; и 11: 11 21.09.2011 г., обозначенные буквами: а), б), в), г),
представляющие снимки последовательных панорамных изображений с разрешением
1пик : 5м фрагментов морской поверхности с размерами: 4км х 1.9км в районе
полуострова Гамова.
Рис. 2. Фрагменты четырёх изображений морской поверхности, полученных 21 сентября
2011 года с интервалом ~ 13 м
На первом снимке 2а хорошо различима чёрно-белая фронтальная полоса с повышенным
уровнем яркости на общем фоне. Стрелками отмечен поперечный пространственным
масштабом (½)L ~ 140 м и резкой квазилинейной границей раздела яркости, выделенной
нами тёмной линией, обозначенной Ф1. На последующих снимках указанная полоса
смещается на северо-запад, сохраняя свою форму. При этом различные участки фронта Ф 1
распространяются с постоянной скоростью под углом ~ 260 к меридиану  =1310 11’. За
время наблюдения полоса сместилась как целое на расстояние ~ 1170 м по нормали к
фронту так, что скорость его распространения составила величину Vф ~ 0,486 (м/c). На
последнем снимке 2г в тыловой части фронта Ф1 на расстоянии R ~ 1050 м
сформировалась ещё одна область с резкими границами раздела освещённости Ф 2 и Ф3,
разделёными расстоянием r ~ 250 м.
Рассмотрим особенности гидрологического процесса, в районе ПБ_2 во время
прохождения фронта яркости. С этой целью воспользуемся данными, полученными с этой
притопленной буйковой станции. Учитывая, что скорость распространения фронта
яркости Vф ~ 0,49(м/с) и его положение в момент времени t = 10 час 30 мин,
зафиксированное на фото изображении, нетрудно определить момент прохождения
фронта через ПБ_2. Этот момент пришёлся на ~ 9 час 30 мин.
Рис. 3. Реализация температуры (кр.1), зафиксированная ПБ_2 на горизонте z = - 28м с
началом 01час 00мин местного времени и её низкочастотная составляющая (кр.2) - (а).
Фрагмент исходной реализации с началом в 7 час 00 мин - (б). Высокочастотный участок
спектра вариаций температуры фрагмента с началом в 7 час 00 мин - (в)
Обратимся к рис. 3б, на котором представлена изменчивость температуры в районе ПБ_2.
Как следует из рисунка в момент прохождения ППВВ на горизонте z=- 28м было
зафиксировано значительное возмущение температуры с длительностью  ~ 10 мин.
Возмущение с таким масштабом, в соответствие с дисперсионной зависимостью (рис. 4в)
будет распространяться со скоростью ~ 0,46(м/с), что отличает это значение от значения
скорости распространения фронта яркости Vф ~ 0,49(м/с) на 6%. Одной из причин 6%
различия между указанными скоростями может быть конечность амплитуды
наблюдаемых ВГВ. При этом масштаб такого возмущения будет равен L ~ 300м, что
незначительно отличает его от поперечного масштаба фронта Lф ~ 280м. Как известно
скорость распространения ВГВ конечной амплитуды превыщает скорость
распространения линейной волны на величину ~ A/H, что составляет ~ 2/40 = 5%...
Через 38 минут на ПБ_2 вновь было зафиксировано два возмущения значительной
амплитуды и, примерно, равной длительности  ~ 4 мин, разделённых по времени
интервалом  ~ 6 мин. Двигаясь со скоростью Vф ~ 0,49(м/с) эти возмущения будут
располагаться на фото изображении разделёнными друг от друга расстоянием r ~ 180 м.
При этом новое фронтальное образование будет отстоять от прошедшего через ПБ_2
ранее, на такое же расстояние. Подобную картину мы действительно наблюдаем на
видио изображении, представленного на рис. 2в, г.
Таким образом, причина вариаций температуры на ПБ_2 и в том числе на глубине z=28м, а также вариаций яркости морской поверхности в точке её постановки имеет
сходную природу. Эти вариации вызваны полем ВГВ в прибрежной зоне полуострова
Гамова. Вместе с тем, как показывает проведённый анализ, на морской поверхности
проявляются ВГВ лишь достаточно узкополосного высокочастотного диапазона,
амплитуды которых превышают некоторый энергетический порог.
5.8. Выводы
Поставленные задачи экспедиции в целом выполнены. Получены новые данные о
динамике внутренних волн в прибрежной зоне Японского моря . При сравнении данных
концентрации пигментов полученных стандартным экстракционным методом с
флуоресцентными данными на части суточных станциях обнаружена изменчивость этих
параметров в течении суток.