Засоби підсупутникового забезпечення космічних сканерів кольору для дослідження біооптичних властивостей морських вод

Друга глава присвячена розробці нових принципів вимірів та створенню на їх основі сучасних гідрооптичних комплексів, які відповідають основним положенням сформульованої концепції для проведення підсупутникових біооптичних досліджень. Для цього ретельно досліджувалися можливості мінімізації перешкод від збуреної поверхні моря в залежності від умов погоди і геометрії освітлення. Зв'язано це з тим, що високу точність сучасних спектрофотометрів для вимірів світлових потоків в морі часто було неможливо реалізувати через незрівнянно більші методичні погрішності. З метою зменшення погрішностей від цих природних перешкод на межі розділу середовищ, засоби традиційних світлових вимірів в море були переглянуті і приведені до такого вигляду, щоб можна було здійснити перехід від абсолютних вимірів світлових потоків до їх порівняння в диференціальному фотометрі. При цьому був реалізований комплексний підхід з використанням новітніх досягнень в області створення підводних датчиків світлових вимірів, збору та обробки інформації на основі застосування спеціалізованих мікропроцесорів і комп'ютерів та розробки програмного забезпечення.

Основна відзнака нового підходу, наведеного в параграфі 2.1, полягала в тому, щоб забезпечити високу якість і універсальність вимірів різноманітних нормованих параметрів світлових полів з використанням уніфікованого диференціального фотометра, оптичні входи якого здатні сприймати світло від різноманітних світлоприймальних приладів. В цьому випадку функціональне призначення диференціального фотометра буде визначатися заданою оптичною схемою та конструкцією світлоприймальних приладів. В залежності від того, як розмістити і орієнтувати ці світлоприймальні прилади в просторі під водою, такий фотометр буде вимірювати ту характеристику світлового поля, яка задається вибраною геометрією вимірів.

Диференціальний метод застосований в підводному спектрофотометрі для безпосереднього виміру інтегральних характеристик світлового поля під водою, який дозволяє практично повністю позбавитися від впливу умов зовнішнього опромінення та істотно зменшити погрішності вимірів від флуктуацій опроміненності. Світлоприймальні прилади в ньому виконані у вигляді "косинусних" колекторів, закріплених на кінцях гнучких довгих світловодів. Світлоприймальні прилади дозволяють вимірювати відразу декілька параметрів підводного світлового поля таких, як показники вертикального ослаблення опромінення згори Kd(z,л) та знизу Ku(z,л) і коефіцієнт дифузного відбивання R(z,л). Вихідний сигнал про ці параметри реєструється на магнітних носіях персонального комп'ютера за допомогою багатоканального інтерфейсу системи збору і обробки підсупутникової інформації. Подальша обробка сигналів до отримання фізичних величин здійснюється на персональному комп'ютері програмним шляхом. Програми задають таку послідовність виконання аналого-цифрових перетворень сигналу і математичних операцій з отриманим цифровим масивом, щоб забезпечити визначення необхідної характеристики з максимально можливою точністю.

Перевагою описаного методу визначення інтегральних параметрів світлового поля є те, що, таким чином, вдається подолати багато труднощів абсолютних вимірів підводного опромінення та зв'язаних з цим проблем абсолютних калібровок. Диференціальний метод дозволяє значно простіше досягнути таких високих точностей вимірів, які необхідні для підсупутникового забезпечення. Він дозволяє значно зменшити також і методичні погрішності натурних вимірів, які пов'язані з перешкодами від поверхневого збурення моря. При необхідності, калібровка таких фотометрів може виконуватися навіть в експедиційних умовах, оскільки для неї не вимагається наявності унікальних еталонів та складного метрологічного обладнання. Цілком достатньою є калібровка по зразкових нейтральних склах з відомою оптичною щільністю, стабільність характеристик яких гарантується впродовж тривалого часу.

В параграфі 2.2 показано, що при натурних підсупутникових дослідженнях проникнення світла в морі, особливо на мілині, недостатньо застосовувати тільки широко розповсюджені в нинішній час вимірники підводного опромінення. Необхідні також більш ретельні виміри структури світлових полів, оскільки існуючі біооптичні алгоритми непридатні в умовах мілководної шельфової зони. Такі дані можуть бути отримані за допомогою надто докладних вимірів кутового розподілу яскравості під водою, що найбільш повно і однозначно характеризує розповсюдження світла в морі. Дані вимірів цієї важливої характеристики дозволяють одержувати не тільки надто цінні відомості про структуру розподілу променевих потоків в воді, але й розрахувати всі інтегральні параметри підводного світлового поля, визначити коефіцієнти дифузного ослаблення та відбивання, а також визначати і деякі первинні оптичні характеристики вод.

В роботі запропоновано виміри яскравості в різноманітних напрямках здійснювати засобом сканування лінією візування, за допомогою спеціальної перископічної насадки, яка закріплюється на нерухомому спектрофотометрі. За рахунок високої інформативності такого методу вимірів водночас вирішується й складна проблема визначення під водою кутових координат, оскільки відомості про них закладені в самому світловому полі, яке вимірюється. Виміри тіла яскравості з глибиною дають можливість не тільки досліджувати структуру підводного світлового поля, але і дозволяють кількісно визначати також та інтегральні характеристики, які достатньо легко розраховуються по даних кутового розподілу яскравості під водою і, відповідно, дозволяють знаходити співвідношення між ними. Тому скануючий вимірник кутового розподілу яскравості під водою рекомендований для проведення ретельних інтеркалібрувальних вимірів при проведенні біооптичних підсупутникових експериментів. В цьому випадку можна провести спільні виміри однієї й тієї ж характеристики в однакових умовах за допомогою скануючого яскравоміра та звичайного вимірника опромінення. Після цього дані розрахунків по формулах використати для обгрунтування результатів вимірів вимірників опромінення шляхом їх порівняння.

В параграфі 2.3 показано, що серед інших параметрів світлового поля коефіцієнт яскравості моря займає особливе місце в дистанційному зондуванні, оскільки він може визначатися з аерокосмічних носіїв. На відміну від абсолютної яскравості висхідного випромінювання, величина коефіцієнта яскравості моря слабо залежить від умов зовнішнього освітлення і майже цілком визначається оптичними властивостями морської води із завислими та розчиненими в ній речовинами. В силу цих причин ця величина достатньо стійка до впливу випадкових перешкод при зміні гідрометеорологічних умов і тому, може служити стабільним індикатором біооптичних властивостей поверхневих вод. Коефіцієнт яскравості моря більш зручний для вимірів в польових умовах, оскільки, як і в випадку визначення інтегральних параметрів світлового поля, дозволяє обминути технічні труднощі абсолютних вимірів. З цієї точки зору, коефіцієнт яскравості моря є одним з головних параметрів, вимір яких повинен бути обов'язковим при проведенні підсупутникових експериментів.

Виміри цієї характеристики виконуються приладом, що являє собою універсальний спектрофотометр для вимірів коефіцієнта яскравості моря, який дозволяє вирішувати різноманітні підсупутникові задачі оптико-біологічного напрямку. В ньому передбачена можливість одночасного виміру кутового розподілу спектральної яскравості висхідного випромінювання моря або яскравості небосхилу, нормованих на випромінювання спектрального опромінення, яке падає на поверхню моря. Передбачена також можливість роботи як з борту дослідного судна на ходу під час переходів, так і безпосередньо з поверхні моря на гідрологічних станціях. Для цього прилад оснащений додатковими поплавцями і підводним парусом, що дозволяють йому плавати по поверхні моря на достатньо великій відстані і здійснювати виміри поза зоною затінення судна.

На відміну від параметрів світлового поля, первинні оптичні характеристики є незмінними властивостями розсіюючого середовища і не залежать від умов освітлення та від трансформації випромінювання в процесі його розповсюдження в воді. В параграфі 2.4 відзначено, що вони дозволяють вельми докладно досліджувати вертикальну оптичну структуру вод та оцінювати природу світлорозсіюючих шарів в морі. Знання цих характеристик істотно покращує якість фізичної інтерпретації даних підсупутникових вимірів і дозволяє удосконалювати засоби вирішення зворотних задач в оптиці моря. Найбільш повне уявлення про розсіюючі властивості морського середовища можна отримати по вимірах індикатрис розсіювання світла в більш широкому по можливості діапазоні кутів. Тому при проведенні комплексних підсупутникових океанологічних досліджень в видимому діапазоні особливо важливо забезпечити якісний вимір цього найважливішого параметру світлорозсіювання. З урахуванням цього в роботі розроблений оригінальний засіб вимірів індикатриси розсіювання, який дозволив створити полярний нефелометр з унікальними характеристиками.

Характерною особливістю нового принципу вимірів є те, що розвертання по куту здійснюється по принципу роботи перископу, шляхом обертання спеціальної скляної призми навколо осі світлоприймального пристрою, яка перпендикулярна площині сканування і проходить через центр розсіюючого об'єму. Оригінальна перископічна форма призми і строго підібрані її розміри дозволяють світлоприймальному пристрою реєструвати розсіяне випромінювання практично в усьому діапазоні кутів, включаючи й випадок виміру ослаблення прямого пучка. Для забезпечення вимірів індикатриси в малих кутах, оптична схема побудована по тіньовому принципу, основна ідея якого полягає в зменшенні до мінімуму фонового освітлення від прямих променів так, щоб можна було виконувати виміри розсіювання навіть в області надто малих кутів без урахування нульового розподілу по ідеально чистій воді. З цією ж метою в схемі передбачене регулювання ширини паралельного пучка випромінювання за допомогою спеціальної рухомої шторки. В результаті, в усьому діапазоні кутів від 0^о до 180^о призма завжди буде знаходитися в області затінення променя і жоден прямий промінь не може влучити в приймальний об'єктив нефелометра, в той час як розсіяні промені будуть сприйматися без всяких перешкод. Таким чином, в запропонованій новій схемі, вдалося добитися істотного зменшення фонового освітлення в малих кутах, більш ніж в 10⁵ раз. Таке значне зменшення досягається тим, що приймальний пристрій сприймає тільки розсіяну морською водою частину випромінювання з області затінення опромінюючого пучка, а також, за рахунок застосування регулюючої шторки, яка звужує ширину цього пучка до надто малих розмірів.

В третій главі наведені результати випробування нових засобів підсупутникового забезпечення і застосування комплексу гідрооптичних приладів, розроблених на основі сформульованої нової концепції в підсупутникових експериментах в Чорному і Середземному морях, а також в Атлантичному океані. Головною метою цих експериментів є відпрацювання методики спостереження морської поверхні при дистанційному визначенні гідрооптичних і біологічних характеристик водного середовища по кольору моря в контрольованих гідрометеорологічних умовах. В результаті проведених експериментів в натурних умовах був отриманий великий обсяг інформації при одночасному визначенні характеристик фотичного шару моря і приводного шару атмосфери. Принципова можливість успішного рішення цих проблем була забезпечена вимірами, що проводилися в товщі води і над її поверхнею з різних рівнів, в тому числі і з космосу. Аналіз матеріалів, отриманих при цьому, дозволив зробити ряд практичних кроків в напрямку вирішення проблеми дистанційного зондування моря в видимому діапазоні електромагнітного спектру і визначити наступні задачі досліджень.

В параграфі 3.1 відзначено, що перші океанологічні підсупутникові експерименти біооптичного напрямку "Чорне море - Інтеркосмос" були спрямовані на рішення задач по дистанційному визначенню оптичних характеристик водних мас з виходом на показники біологічної продуктивності. Дослідження оптичних та біологічних властивостей чорноморських вод дозволили простежити за негативними наслідками забруднення Чорного моря. В результаті встановлено, що оптичні властивості чорноморських вод стали різко мінятися і набувати таких особливостей, які ніколи раніше не відзначалися. Практично по всій акваторії моря вода стала значно мутнішою і набула білуватого відтінку. Впродовж наступних декількох років процеси ці посилились і набули катастрофічного характеру, коли прозорість води по білому диску практично по всій акваторії знизилася до 5 метрів. По даних комплексних біологічних досліджень причиною цього стала зміна екосистеми Чорного моря через появу в ній нехарактерних для цього басейну видів організмів і подавлення ними інших мікроорганізмів. Вказується, що така ситуація могла бути проявом сумісної дії відразу декількох негативних чинників: закритості моря, антропогенного забруднення через стоки рік і виносами з узбережжя, а також переносом суднами нових видів організмів. Відзначено, що в наступні роки прозорість вод Чорного моря трохи підвищилася, але до нинішнього часу так і не відновилася до колишнього рівня.

В результаті проведених в Чорному морі підсупутникових досліджень з'ясувалося, що даних, які були отримані при регіональних вимірах з судна, літака та ШСЗ, явно недостатньо для аргументованої і статистично забезпеченої інтерпретації. Поступове ускладнення задач, ставило на порядок денний проведення зйомок по площі просторих акваторій або їх дільниць з метою виявлення, ідентифікації і спостереження за фізичними неоднорідностями, що були утворені на морській поверхні та в її товщі. Для повного освітлення питань, зв'язаних з інтерпретацією супутникових даних, була організована спеціалізована океанологічна експедиція, в якій підсупутникові дослідження були поширені до більш північної частини акваторії Атлантичного океану. В параграфі 3.2 відзначається, що характерною особливістю виконання експериментів в цій експедиції є суміщення під час рейсу систематичних супутникових спостережень з детальними підсупутниковими дослідженнями на просторій акваторії Атлантичного океану, що охоплює широкий діапазон змін властивостей водних мас та атмосфери. Для цього маршрут судна був вибраний таким чином, щоб пройти через аномально контрастні по своїх властивостях води Північного та Норвезького морів, Ньюфаундлендської банки та Тропічної Атлантики і таким чином простежити за їх широтними і меридіональними змінами.

В результаті проведених досліджень було отримано величезний обсяг інформації щодо різноманітних властивостей моря і атмосфери, націлений на розробку нових засобів по поліпшенню інтерпретації космічних відеозображень кольору поверхневих вод. Одним з таких засобів є запропоноване в роботі оригінальне аналітичне рішення зворотної задачі біооптики моря, що дозволяє відновлювати не тільки концентрацію пігментів фітопланктону, але й спектральні характеристики поглинання фітопланктону і розчиненої органічної речовини, а також величину зворотного розсіювання завислих речовин для зеленої області спектру. Це дозволило оцінити по даних дистанційних вимірів коефіцієнта яскравості моря, концентрації пігментів фітопланктону в мг/м³ та жовтої речовини в мкг/л на розрізі через весь Атлантичний океан.

В параграфі 3.3 по результатах досліджень, виконаних в Чорному морі, в міжнародній експедиції на науково-дослідному судні "Bilim" показано, що помутніння поверхневих вод відкритих акваторій моря залишається як і раніше високим, яким воно було вже протягом декількох років. Наслідком цього стало те, що колишні в минулому прозорі води до нинішнього часу замутились настільки, що стали слабко відрізнятися від прибережних та шельфових вод. Отримані результати добре співпадають з попередніми результатами прямих біологічних визначень хлорофілу, в той час як алгоритми SeaWiFS дають дещо завищені значення. Отримані в останній час відеозображення з супутникового сканеру кольору нової ґенерації SeaWiFS підтверджують помутніння вод Чорного моря та різке зниження в ньому просторових контрастів.

Наведені в параграфі 3.4 результати випробування полярного нефелометра в Канаді в Дальхаузському університеті з оптичне чистою водою, з бульбашками повітря в воді з відомим розподілом по розмірах та зі штучними сферичними мікрочастинками з латексу в розчинах з заздалегідь відомими властивостями продемонстрували дуже хороший збіг теоретичних розрахунків і експериментів. По даних вимірів полярного нефелометра в шельфових водах Атлантики на акваторії Морської польової станції Рутгерського університету в США вперше показано, що розширення діапазону кутів розсіювання відкриває раніше невідомі можливості у вивченні властивостей морських вод, що розсіюють випромінювання. Наведені результати досліджень переконливо свідчать про те, що основна мінливість форм індикатрис спостерігається в області малих кутів в прямому напрямку та при зворотному розсіюванні поблизу 180^о, тобто саме в тих областях, де надійних і якісних вимірів до тепер не проводилося. Аналіз індикатрис в більш широкому діапазоні кутів дає підставу також спростувати існуюче уявлення про те, що індикатриси морських вод можуть описуватися однопараметричною моделлю і що воно справедливе тільки для того вузького діапазону кутів, в якому ці виміри вироблялися раніше. Цей цілком новий результат вимірів виявився можливим завдяки тому, що запропонований в роботі новий засіб вимірів індикатриси розсіювання дозволив значно розширити діапазон кутів до значень, які раніше були недосяжні при використанні традиційних засобів.

В четвертій главі досліджуються особливості просторово-часової мінливості спектральних оптичних властивостей атмосфери над Чорним морем по даних океанологічних підсупутникових експериментів та багаторічних берегових спостережень.

Як показав досвід обробки даних першого сканеру кольору, інтерпретація супутникової інформації значно покращувалася, якщо для цього залучалися дані про властивості аерозолю над морем. Дослідження властивостей атмосферного аерозолю виконувалися на основі систематичних спостережень за спектральною прозорістю атмосфери. Такі спостереження в Чорному морі проводилися в основному з берегового пункту в Криму на Карадагській геофізичній обсерваторії.

В параграфі 4.1 дисертаційної роботи показано, що лише підсупутникових вимірів атмосфери недостатньо для оцінки властивостей аерозолю. Тому була запропонована і проаналізована наступна проста двохпараметрична модель розподілу аерозольних частинок по розмірах

Два параметри і мають наступний фізичний сенс: пропорційний числу аерозольних частинок в 1 см3, - мінімальний розмір, що обмежує область існування аерозольних частинок.

Використовуючи цей розподіл, отримані розрахункові формули для повного показника розсіювання bl,

Кутового показника розсіювання bl (g)

та індикатриси розсіювання bl (g) природного світла на аерозольних частинках

В наведених формулах g - кут розсіювання, r1 =2p r1/l, а функції, що входять в підінтегральні вирази, являють собою основні функції теорії Мі. Розрахунками по цих формулах показана можливість застосування малопараметричної моделі мікрофізичних властивостей атмосферного аерозолю для опису реального стану атмосфери, що дуже важливо при проведенні оціночних розрахунків яскравості висхідного випромінювання.

Оскільки виміри безпосередньо на акваторії моря виконувалися епізодично, то по них важко було судити про можливість застосування результатів берегових досліджень для різноманітних морських умов. Необхідно було виконати докладні виміри спектральної прозорості атмосфери в морі в різноманітних його районах і провести спільний аналіз отриманих матеріалів з даними багатолітніх берегових спостережень. Такі дослідження, виконані в експедиції 43 рейсу НДС "Михайло Ломоносов" в період проведення підсупутникового експерименту "Чорне море-Інтеркосмос" в 1984 році та в 2-му рейсі НДС "Горизонт" в 1998 році дозволили істотно заповнити цей пробіл, оскільки вдалося охопити атмосферними оптичними спостереженнями велику акваторію Чорного і Середземного морів аж до Атлантичного океану. В результаті спільного аналізу даних в параграфах 4.2 і 4.5 показано, що осереднені дані вимірів безпосередньо над морською акваторією і берегових пунктів спостережень співпадають. Порівняння результатів чорноморських вимірів з даними властивостей атмосфери над Середземним морем показало, що там спостерігався океанський тип аерозолю, що характеризується більш високою прозорістю атмосфери і нейтральним ходом спектру аерозольної оптичної товщини. Все це свідчить про те, що властивості чорноморського аерозолю ближчі до континентального типу і тому результати берегових вимірів спектральної прозорості атмосфери можуть бути застосовані також і для аналізу ситуації безпосередньо над морською акваторією.

Результати порівняльних співставлень морських та берегових вимірів дозволили обгрунтувати можливість використання багаторічних рядів спостережень Карадагської геофізичної обсерваторії для дослідження статистичних характеристик і часової мінливості оптичних властивостей атмосфери над Чорним морем. В параграфі 4.3 розглянута застосована в Карадазі методика спостережень з аналізом погрішностей вимірів і наведений опис матеріалів берегових вимірів оптичних характеристик атмосфери, які використовувалися. Для аналізу був залучений величезний масив даних систематичних багаторічних вимірів спектральної прозорості атмосфери, виконаних стандартним сонячним фотометром, який успішно пройшов інтеркалібраційні повірки по загальноприйнятій методиці в Мауна-лоа в США [Гущин Г.К., 1988].

Статистичний аналіз даних берегових вимірів оптичних характеристик атмосфери над Чорним морем проведений в параграфі 4.4, де приведені результати докладних досліджень статистичних характеристик та часової мінливості параметрів спектру аерозольної оптичної товщини атмосфери. Вперше показано, що переважний вклад в спектральну мінливість аерозольної оптичної товщини атмосфери вносить зміна загальної маси аерозолю без зміни його якісного складу. Виявлений закономірний денний хід мінливості аерозольної оптичної товщини, через який спостерігається плавна зміна прозорості атмосфери на протязі дня. Виявлена достатньо сильна сезонна мінливість аерозольної оптичної товщини атмосфери з максимумом в літні місяці, тоді як міжрічна мінливість зневажливо мала.

В результаті всебічного аналізу багатолітніх даних встановлено, що для аерозолю над Чорним морем спектральна залежність оптичної товщини атмосфери добре описується законом Ангстрема і однопараметричною моделлю, тому тут можуть застосовуватися стандартні алгоритми атмосферної корекції.

П'ята глава присвячена розробці нових засобів рішення зворотних задач по відновленню біооптичних властивостей поверхневих вод і концентрацій пігментів фітопланктону і розчиненої органічної речовини по спектру яскравості висхідного випромінювання моря. Основною проблемою при рішенні зворотних задач в біооптиці моря є низька якість вхідних оптичних даних для спектрального поглинання і розсіювання чистою морською водою без всяких домішок. Існуючі одиничні дані лабораторних вимірів по чистій воді виконані з такою великою погрішністю, що відрізняються інколи в декілька раз [О.В. Копелевич, 1976; H. Buiteveld, J.H. Hakvoort, M. Donze, 1994; R. Pope, E.S. Fry, 1997]. В деяких випадках цю проблему вдається вирішити переходом до порівняння відносних гідрооптичних величин. На основі цієї ідеї в дисертації розроблений засіб рішення зворотної задачі, який дав добрі результати відновлення концентрацій фітопланктону і розчиненої органічної речовини для багатьох акваторій, які співпадають з реальним вмістом цих домішок в морській воді.

В параграфі 5.1 проведено теоретичний розгляд аналітичних виразів для коефіцієнта яскравості моря та його залежності від первинних оптичних характеристик морської води. Показано, що точні формули для коефіцієнта яскравості моря, отримані виходячи з принципу інваріантності [В.А. Амбарцумян, 1942], дають оцінки, що співпадають з разрахунками по формулах, які випливають з двохпотокової теорії Кубелки-Мунка з експериментально визначеними коефіцієнтами [М.В. Козлянинов, В.Н. Пелевин, 1966]. На основі порівняння виведених формул з експериментально отриманою кореляційною залежністю між коефіцієнтом яскравості моря та коефіцієнтом дифузного відбивання R, встановленою для вод відкритого океану в синьо-зеленій області видимого спектру, отримана теоретична оцінка цього зв'язку

відомий параметр Гордона, виражений через показники зворотного розсіювання bb і поглинання середовища; T' T" - коефіцієнти пропускання поверхні моря для спадаючого і вихідного з води випромінювання; n - показник заломлення води. Для аналізу мінливості коефіцієнта яскравості моря формула (11) з використанням експериментально надійних постійних перетворюється до наступного вигляду

де та - спектральні показники поглинання і зворотного розсіювання чистої води (індекс w) та домішок. В параграфі 5.2 дисертації відзначається, що розрахунки, виконані по цій формулі з використанням даних про оптичні властивості чистої води [A. Morel, L. Prieur, 1977], непогано співпали з результатами натурних вимірів коефіцієнта яскравості Саргасового моря. По результатах аналізу для погодження розрахунків з реально зміряними характеристиками висхідного випромінювання запропоновано прийняти найбільш прозорі і стабільні водні маси центральної частини Саргасового моря в якості аналогу оптично чистої води. Грунтуючись на цьому наближенні, запропонований новий засіб вирішення зворотної задачі оптики моря, який дозволяє визначати концентрації оптично активних біологічних домішок по відновлених спектральних характеристиках поглинання пігментів фітопланктону і розчиненої органічної речовини. Основна ідея засобу в тому, що вирішення зворотної задачі здійснюється по різниці між зміряним і опорним спектром коефіцієнту яскравості моря, в якості якого вибраний типовий спектр найбільш прозорих вод Саргасового моря, а всі відхилення від нього вважаються такими, що викликані впливом домішок в морській воді. Для аналізу відхилень зміряних спектрів коефіцієнта яскравості моря від спектру Саргасового моря, з метою відновлення характеристик поглинання світла домішками, вводиться функція

Показано, що при умові, коли функція має корінь, область визначається головним чином поглинанням домішками, в той час як в області в основному переважає зумовлена розсіюванням на частинках друга складова. Якщо в короткохвильовій області спектру, то вклади розсіювання і поглинання світла в середовищі в варіації величини поділяються шляхом попереднього визначення величини зворотного розсіювання частками суспензії в області, з наступною екстраполяцією в область для визначення поглинання в області спектру, де лежать основні смуги поглинання домішок.

Встановлено, що згідно проведеного аналізу отриманих спектрів, зелена дільниця спектру,= (0.53 - 0.57 мкм) майже завжди належить області. Якщо при, то з формули (12) випливає, що в зеленій дільниці спектру . В цьому випадку для області довжин хвиль з формули (13) слідує співвідношення, з якого однозначно знаходиться величина .

Це дало можливість використати зелену дільницю спектру для визначення величини зворотного розсіювання завислими частинками. При цьому враховувалося й те, що в цій області спектру величина висхідного випромінювання моря достатня для надійних вимірів і по цій причині відновлення та може виконуватися з необхідною точністю. Прийнято також, що мінливість сумарного показника зворотного розсіювання світла від довжини хвилі визначається в основному молекулярним розсіюванням, оскільки спектральна залежність зворотного розсіювання завислих частинок тут несуттєва. Показано, що після того, як в зеленій області спектру обидва параметри і визначені з використанням рівнянь (13) або (12), неважко розрахувати в синій дільниці спектру, де лежать основні смуги поглинання пігментів фітопланктону та розчиненої органічної речовини.

Проведено аналіз відновлених описаним методом спектрів поглинання оптично активних біологічних домішок в морській воді. Показано, що в залежності від переваги будь-якої з компонент, відновлені спектри інколи характеризуються або експоненціальним розподілом для жовтої речовини, або наявністю широкої смуги поглинання в синій області спектру для пігментів фітопланктону. Більша ж частина спектрів має проміжну двохмодову структуру, відновлення якої виявилося можливим лише завдяки тому, що спектральні виміри коефіцієнта яскравості моря виконувалися не тільки в видимій, але й в ближній ультрафіолетовій області спектру. По відновлених спектрах поглинання визначені концентрації жовтої речовини та пігментів фітопланктону для великої акваторії Атлантичного океану, що охоплює широкий діапазон мінливості параметрів водних мас.

Порівнянням відновлених значень концентрацій цих речовин з безпосередніми визначеннями, які проводилися паралельно по стандартних біологічних методиках, був встановлений тісний кореляційний зв'язок між ними. Показано, що в прибережних водах кореляція погіршується внаслідок збільшення числа параметрів, які визначають спектр коефіцієнта яскравості моря. Наведена схема рішення зворотних задач оптики моря для прибережних вод з рекомендаціями по засобах досягнення оптимального результату. В параграфі 5.3 на великому статистичному матеріалі отримано тісний кореляційний зв'язок між вмістом хлорофілу в верхньому шарі моря і індексом кольору. Відзначається висока ефективність методики районування морських акваторій по індексу кольору, що дозволить провести оцінку просторового розподілу хлорофілу на просторих морських акваторіях і виділяти області підвищеної біологічної продуктивності для цілей підсупутникового забезпечення.

В висновках відзначається, що підсупутникові методи і засоби визначення кольору водних басейнів починають поступово використовуватися в експериментальній океанології при розробці систем діагностики стану морських екосистем. Дані вже перших співставлень між визначенням концентрації хлорофілу а, по інформації про колір Чорного моря зі сканеру CZCS, з матеріалами безпосередніх біологічних вимірів виявили необхідність і важливість такого тестування. Саме притягнення опорної підсупутникової інформації дозволило встановити для Чорного моря непоганий збіг між супутниковими і натурними даними в середньому за рік і значну розбіжність в зимовий період. В результаті було показано, що в зимових умовах для Чорного моря при низьких висотах сонця показання супутникових сканерів кольору потребують додаткових поправок. Основні результати проведеного дослідження сформульовані в висновках.

BИСНОВКИ

1. На основі аналізу загальноприйнятих засобів проведення підсупутникових океанологічних досліджень в видимому діапазоні, виявлена сильна залежність одержаних результатів від стану поверхні моря, геометрії спостережень і умов освітлення. Показано, що точність визначення біооптичних властивостей морських вод, в значно меншій мірі обмежується інструментальною погрішністю спектрофотометрів, які застосовуються, ніж набагато більш істотними методичними погрішностями від цих чинників. Сформульована нова концепція підсупутникового забезпечення космічних сканерів кольору нової ґенерації контрольно-калібрувальними даними, основна ідея якої, полягає в тому, щоб в якості порівнювальних опорних параметрів використовувати не абсолютні величини спектральних яскравостей, а відносні величини, які являють собою значення спектральних яскравостей, нормовані на величину падаючого випромінювання. Концепція спирається також на необхідність розширення спектральної області гідрооптичних вимірів до ближньої ультрафіолетової області спектру, для поліпшення якості дистанційного визначення кольору вод Чорного моря, з надто складним складом суспензії і розчиненої органічної речовини.

2. Нова концепція дозволяє позбавитися від надто складних проблем абсолютної калібровки польових спектрофотометрів і звести до мінімуму методичні погрішності від флуктуацій яскравості і опромінення через лінзові ефекти в при поверхневих шарах. Показано, що опорна калібровка супутникової апаратури по абсолютних значеннях розповсюджуваних світлових потоків можлива лише в рідких випадках малоймовірного збігу ідеальних метеоумов і стану збуреної поверхні моря і тому будувати стратегію підсупутникового забезпечення на основі абсолютних світлових вимірів малоефективно.

3. В рамках теорії двохкратної взаємодії випромінювання з системою море-атмосфера вирішена задача дистанційного визначення коефіцієнта яскравості моря. На основі малопараметричного уявлення залежності перетину розсіювання на аерозольних частках від довжини хвилі, проведено чисельне моделювання алгоритму атмосферної корекції для різноманітних станів атмосферного аерозолю. На чисельних прикладах обгрунтована ефективність залучення короткохвильової дільниці спектру, де через сильне розсіювання в атмосфері випромінюванням від моря можна, в першому наближенні, знехтувати. При цьому з'являється можливість характеристики розсіювання в атмосфері визначати не тільки в довгохвильовій частині спектру, як це узвичаєно в нинішній час, але і в її короткохвильовій частині і, відповідно, більш точно визначати необхідні для атмосферної корекції параметри шляхом інтерполяції, замість екстраполяції , що застосовується зараз. Незважаючи на те, що, через переважний вплив атмосферної пелени, контрасти поверхні в короткохвильовій області сильно зменшуються, вперше показано, що завдяки саме цій обставині тут вдається поділити вклади атмосфери і моря в висхідному випромінюванні і отримати кількісну оцінку коефіцієнта яскравості моря.

4. Запропонований і практично реалізований засіб безпосереднього вилучення відблискової складової в висхідному випромінюванні, що дозволяє виробляти цю процедуру незалежно від умов освітлення і стану поверхні моря. При цьому використовується та обставина, що випромінювання, яке виходить з товщі моря зазнає значної зміни спектрального складу, в той час як спектр відбитого від поверхні води випромінювання залишається практично незмінним. В результаті застосування запропонованого засобу вдалося в декілька раз підвищити контрасти неоднорідностей на поверхні моря в експериментах з штучними плямами.

5. На основі положень нової концепції розроблені принципи апаратурного забезпечення підсупутникових досліджень при визначенні кольору моря з космосу, які орієнтовані на те, щоб комплекс гідрооптичних приладів забезпечував високу точність вимірів відносних величин розповсюджуваних світлових потоків нормованих на спадаюче випромінювання. Перевага нормованих величин, передусім в тому, що вони значно менш чутливі до методичних погрішностей вимірів від умов освітлення і стану збуреної поверхні моря, тому вони залежать, в основному, від оптичних властивостей поглинання і розсіювання в середовищі і, на кінець, є необхідними параметрами біооптичних алгоритмів.

6. Показано, що більш високі вимоги до якості контрольно-калібрувальної інформації виявили настійну необхідність розробки нових гідрооптичних засобів і апаратури для підсупутникового забезпечення космічних сканерів кольору нової ґенерації. Для апаратурного підсупутникового забезпечення автором були уніфіковані засоби традиційних світлових вимірів і призведені до такого вигляду, щоб можна було здійснити перехід від абсолютних вимірів світлових потоків до їхнього порівняння в диференціальному фотометрі. Запропонований новий диференціальний засіб безпосереднього виміру градієнтів інтегральних характеристик світлового поля під водою, який дозволить практично повністю позбавитися від впливу умов зовнішнього опромінення і істотно зменшити погрішності вимірів від флуктуацій опроміненності.

7. Розроблений принципово новий засіб виміру об'ємної функції розсіювання морської води, що сумістив в собі переваги існуючих малокутових і полярних нефелометрів. В основу оригінальної оптичної схеми вимірів закладений принцип роботи перископу, який здійснюється за допомогою спеціальної скляної призми, форма і строго підібрані розміри якої, дозволяють реєструвати розсіяне випромінювання практично в усьому діапазоні кутів, включаючи і випадок виміру ослаблення прямого пучка. В області малих кутів оптична схема побудована по тіньовому принципу, основна ідея якого полягає в зменшенні до мінімуму фонового засвічення від прямих променів так, щоб можна було виробляти виміри розсіювання без врахування нульового розподілу по ідеально чистій воді. В результаті, в усьому діапазоні кутів від 0^о до 180^о призма завжди буде знаходитися в області затінків променів і жоден прямий промінь не зможе влучити в приймальний об'єктив нефелометра, в той час як розсіяні промені будуть сприйматися без всяких завад.

Тестування полярного нефелометра в Канаді в Дальхаузському університеті з оптичне чистою водою і з використанням бульбашок повітря в воді і розчинів мікрочастинок латексу з заздалегідь відомими властивостями продемонстрували дуже гарний збіг між теоретичними розрахунками і експериментом. По даних вимірів полярного нефелометра в шельфових водах Атлантики показано, що основна мінливість форми індикатрис спостерігається в області малих кутів в прямому напрямку і для зворотного розсіювання поблизу 180^о, тобто саме в тих областях, де надійних і якісних вимірів до цього часу не вироблялося. Цей цілком новий результат вимірів виявився можливим завдяки тому, що запропонований в роботі новий засіб вимірів індикатриси розсіювання дозволив значно розширити діапазон кутів до значень, які раніше були недосяжні при використанні традиційних засобів.

8. В серії міжнародних підсупутникових експериментів "Чорне море-Інтеркосмос" при безпосередній участі автора вперше були реалізовані комплексні біооптичні дослідження моря і оптичних властивостей атмосфери над ним в різноманітних океанологічних ситуаціях. Виміри характеристик кольору Чорного моря були виконані водночас з науково-дослідного судна, з літака-лабораторії і з космосу. Проведений широкомасштабний підсупутниковий експеримент "Атлантика-89", в якому були виконані комплексні океанологічні спостереження на великій акваторії Атлантичного океану, що охоплює широкий діапазон змін властивостей водних мас і атмосфери. В результаті проведених досліджень отриманий величезний обсяг інформації про різноманітні властивості моря і атмосфери націлений на розробку нових засобів по поліпшенню інтерпретації космічної інформації про колір поверхневих вод. Результати підсупутникових досліджень в міжнародній експедиції на судні "Билим", підтвердили зафіксовані в останнє десятиріччя помутніння поверхневих вод відкритих акваторій Чорного моря. Ці дані узгоджуються з відеозображеннями супутникового сканеру кольору SeaWiFS, в яких відзначається помутніння вод Чорного моря і зниження в ньому просторових контрастів.

9. Встановлено, що спектральна залежність оптичної товщини атмосфери над Чорним морем добре описується законом Ангстрема і однопараметричною моделлю, тому тут можуть застосовуватися стандартні алгоритми атмосферної корекції. Показано, що переважний вклад в спектральну мінливість аерозольної оптичної товщини атмосфери вносить зміна загальної маси аерозолю без зміни його якісного складу. Виявлений закономірний денний хід мінливості аерозольної оптичної товщини, через який спостерігається плавна зміна прозорості атмосфери впродовж дня. Виявлена достатньо сильна сезонна мінливість аерозольної оптичної товщини атмосфери з максимумом в літні місяці, тоді як міжрічна мінливість досить мала.

Порівняння вимірів спектральної прозорості атмосфери над Чорним і Середземним морями показало, що оптичні властивості атмосфери над Середземним морем наближаються по своїх характеристиках до океанських. Тут спостерігалася більш висока прозорість атмосфери з більш нейтральним спектром аерозольної оптичної товщини.

10. Розроблені оригінальні аналітичні засоби вирішення зворотних задач біооптики моря, які дозволять відновлювати показники поглинання пігментів фітопланктону і розчиненої органічної речовини, а також концентрацію основних складових морської суспензії. Показано, що спектр коефіцієнта яскравості моря є найбільш зручним параметром для відновлення по ньому біооптичних властивостей поверхневих вод, оскільки висока точність вимірів цієї характеристики забезпечує тривалість рішення зворотної задачі, як для випадку чистих вод відкритих акваторій моря, так і для мутних прибережних вод. Задача вирішена для природних вод багатьох акваторій океану, включаючи і найбільш складний випадок мутних прибережних вод типу-2.

Для погодження теоретичних розрахунків з реально вимірними характеристиками висхідного випромінювання, вперше запропоновано прийняти найбільш прозорі води центральної частини Саргасового моря в якості аналогу теоретично чистої води, щоб відносно цих природних вод відновлювати концентрації домішок в відкритих акваторіях моря. Показано, що аналітичний підхід має більшу інформативність, оскільки дозволяє відновлювати не тільки концентрацію пігментів, але і спектральні характеристики поглинання фітопланктону і розчиненої органічної речовини, а також величину зворотного розсіювання суспензії.

11. На великому статистичному матеріалі отримано кореляційний зв'язок між вмістом хлорофілу в верхньому шарі моря і індексом кольору. Результати статистичного аналізу взаємозв'язків індексу кольору з іншими гідрооптичними характеристиками і концентрацією зважених і розчинених в морській воді речовин показує, що в більшості випадків, ці взаємозв'язки є тісними і значущими. Висока ефективність методики районування моря по індексу кольору, продемонстрована на матеріалах, що використовувалися для калібровки спектрометрів МКС на супутникові "Інтеркосмос-21" і дозволили провести оцінку просторового розподілу хлорофілу на великих морських акваторіях і виділяти області підвищеної біологічної продуктивності для цілей підсупутникового забезпечення.

СПИСОК OПУБЛІКOВAНИХ PОБІТ ПO ТEМІ ДИСEPТAЦІЇ

1. Богушевский А.П., Ли М.Е., Шерстянкин П.П. Морской широкодиапазонный логарифмический фотометр. // Морские гидрофизические исследования, №2, 1973, с.173-179.

2. Шемшура В.Е., Ли М.Е. Влияние функции угловой чувствительности фотометра на точность измерения некоторых параметров светового поля. // Морские гидрофизические исследоваия, №3, 1975, с.228-232.

3. Ли М.Е., Мартынов О.В. Некоторые результаты исследований индекса цвета в море. // Морские гидрофизические исследования, №1, 1976, с.133-139.

4. В.И.Маньковский, М.Е.Ли, Е.И.Афонин, В.А.Башарин. Оптические исследования Тропической Атлантики у западного побережья Африки. // Морские гидрофизические исследования, №3, 1978, с.188-197.

5. Маньковский В.И., Ли М.Е., Соловьев М.В. Оптическая структура вод Лионского залива и ее изменение после действия мистраля. // Советско-французские исследования. Взаимодействие океана и атмосферы. Сб. научных трудов МГИ НАНУ, Севастополь, 1978, с84-91.

6. М.В.Соловьев, М.Е.Ли, Э.А.Михайлов, Н.А.Сорокина, В.Н.Воскресенский. Оптическая структура вод в синоптических вихревых образованиях. // Экспериментальные исследования по международной программе "Полимоде". Сб. научных трудов МГИ НАНУ, Севастополь, 1978, с.89-95.

7. М.Е.Ли, Е.И.Афонин, Н.А.Сорокина, В.В.Спиридонов Исследования оптической структуры вод антициклонального вихревого образования. // Морские гидрофизические исследования, №2, 1979, с.85-90.

8. Афонин Е.И., Берсенева Г.П., Ли М.Е. и др. Оценка содержания хлорофилла в верхнем слое моря по измерению индекса цвета. // Световые поля в океане. М.: Изд. ИОАН, 1979, с.191-196.

9. Ли М.Е. Погружаемый автоколлимационный прозрачномер. // Оптические методы изучения океанов и внутренних водоемов. Изд. ИТЭФ, Таллин, 1980, с.291-295.

10. Ли М.Е., Земляная Л.А. Исследования прозрачности вод Черного моря. // Комплексные гидрофизические и гидрохимические исследования Черного моря. Сб. научных трудов МГИ НАНУ, Севастополь, 1980, с.52-60.

11. М.Е.Ли. Фотометр-прозрачномер. // Научные приборы и автоматизация исследований в АН УССР. Киев: Наукова думка, 1981, 6с.

12. Solovyev M.V., Lee M.E., Mihaylov E.A. Transmitanse and color index distribution in the western Sargasso sea. // Experimental investigation under the International Polimode Program. National Science Foundation, Washington, 1983, p.103-110.

13. Г.Г.Неуймин, М.Е.Ли. Оптические методы оценки биологической продуктивности вод. // Автоматизация лимнологических исследований и световой режим водоемов. Изд. "Наука", Новосибирск, 1984, с.10-21.

14. Г.Г.Неуймин, З.П.Бурлакова, В.М.Ашихмин, М.Е.Ли, Э.А.Михайлов. Структура фотического слоя вод Атлантического океана в районе материкового склона гвинейского побережья. // Океанология, М., т.XXIV, вып.3, 1984, с.445-452.

15. М.Е.Ли, О.В.Мартынов, С.В.Паршиков Методика исключения отраженного излучения при дистанционных измерениях яркости моря. // Морской гидрофизический журнал, №3, 1985, с.28-32.

16. С.В.Паршиков, М.Е.Ли Дистанционное определение оптических свойств поверхностного слоя моря. // Дистанционное зондирование моря с учетом атмосферы. Изд. ИКИ АН ГДР, т.2, ч.1, 1987, с.39-53.

17. Ли М.Е., Паршиков С.В. Методика учета влияния атмосферы при дистанционном зондировании океана в оптическом диапазоне. // Морской гидрофизический журнал, № 1, 1988, с.52-58.

18. М.Е.Ли, О.В.Мартынов, С.В.Паршиков. Спектрозональный метод и фотометр для дистанционного определения оптических неоднородностей на поверхности моря. // Автоматизированные системы контроля состояния морской среды. Сб. научных трудов МГИ НАНУ, Севастополь, 1992, с.90-97.

19. С.В.Паршиков, М.Е.Ли. Дистанционное зондирование оптически активных примесей океана с применением коротковолнового участка спектра. // Автоматизированные системы контроля состояния морской среды. Сб. научных трудов МГИ НАНУ, Севастополь, 1992, с.65-78.

20. С.В.Паршиков, М.Е.Ли. Использование спектральных особенностей восходящего излучения для контроля состояния водных экосистем. // Автоматизированные системы контроля состояния морской среды. Сб. научных трудов МГИ НАНУ, Севастополь, 1992, с.79-89.

21. Ли М.Е., Мартынов О.В. Гидрооптическая аппаратура для подспутни-ковых исследований. // Международный научно-технический семинар "Морское и экологическое приборостроение". Сб. научных трудов МГИ, Севастополь, 1995, с.29-32.

22. V.I.Haltrin, M.E.Lee, O.V.Martynov. Polar nephelometer for sea truth measurements. // Proceedings of the Second international airborne remote sensing conference and exibition. San Francisco, California, USA: Published by ERIM, v.II, 1996, p.444-450.

23. V.I.Haltrin, M.E.Lee, O.V.Martynov. Rapid hydrologic measurements of underwater angular distrivbution of light. // Proceedings of the Twelfth international conference and workshops on applied geologic remote sensing.- Published by ERIM, vol.I., Denver, USA, 1997, p.361-368.

24. Ли М.Е., Мартынов О.В. Измеритель коэффициента яркости для подспутниковых измерений биооптических параметров вод. // Экологическая безопасность прибрежных и шельфовых зон и комплексное использование ресурсов шельфа. Сб. научных трудов МГИ НАНУ, Севастополь, 2000, с.163-173.

25. Ли М.Е., Шибанов Е.Б., Любарцев В.Г. Спектральная прозрачность атмосферы над Черным морем. // Морской гидрофизический журнал, №4, 2000, с.46-68.

26. V.I.Haltrin, E.I.Afonin, M.E.Lee, and V.A.Urdenko. Shipborne measurements of optical atmospheric parameters above the Black Sea. // Proceedings of the Sixth international conference remote sensing for marine and coastal environment. ISSN 1066-3711, vol.II, USA, 2000, p.89-96.

27. Шибанов Е.Б., Ли М.Е. Метод решения обратной задачи биооптики моря по данным подспутникового эксперимента на океанографической платформе. // Морской гидрофизический журнал, №3, 2000, с.50-63.

28. А. с. 1241070 СССР, МКИ G 01 J 1/44. Фотоприемное устройство / В.В.Спиридонов, А.И.Чепыженко, Е.И.Афонин, М.Е.Ли (СССР). - №3827642/24-25; Заявлено 18.12.84; Опубликовано 30.06.86, Бюл. №24. - 4с.

29. А. с. 1632163 СССР, МКИ G 01 N 21/47. Способ определения спектрального показателя интегрального рассеяния излучения в морской воде / Е.И.Афонин, М.Е.Ли, Б.Н.Крашенниников (СССР). - №4491339/25; Заявлено 10.10.88. Экз. №000284 - 4с.

30. А. с. 1380415 СССР, МКИ G 01 N 21/25. Способ дистанционного определения прозрачности воды в естественных водоемах / Е.И.Афонин, М.Е.Ли, С.В.Паршиков (СССР). - №3738958/31-25; Заявлено 08.05.84. Экз. №3 - 2с.

Размещено на Allbest.ru