Спектральный вклад компонентов морской воды в показатель ослабления направленного света в поверхностных водах Средиземного моря
Рассчитаны модельные спектры показателя ослабления направленного света в поверхностных водах Средиземного моря. По ним определен вклад компонентов морской воды (взвесь, желтое вещество, пигменты фитопланктона, чистая вода) в показатель ослабления направленного света в разных водах моря. Для поверхно...
Saved in:
| Published in: | Морской гидрофизический журнал |
|---|---|
| Date: | 2011 |
| Main Author: | |
| Format: | Article |
| Language: | Russian |
| Published: |
Морський гідрофізичний інститут НАН України
2011
|
| Subjects: | |
| Online Access: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/56699 |
| Tags: |
Add Tag
No Tags, Be the first to tag this record!
|
| Journal Title: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Cite this: | Спектральный вклад компонентов морской воды в показатель ослабления направленного света в поверхностных водах Средиземного моря / В.И. Маньковский // Морской гидрофизический журнал. — 2011. — № 5. — С. 14-29. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. |
Institution
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1859660663073275904 |
|---|---|
| author | Маньковский, В.И. |
| author_facet | Маньковский, В.И. |
| citation_txt | Спектральный вклад компонентов морской воды в показатель ослабления направленного света в поверхностных водах Средиземного моря / В.И. Маньковский // Морской гидрофизический журнал. — 2011. — № 5. — С. 14-29. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Морской гидрофизический журнал |
| description | Рассчитаны модельные спектры показателя ослабления направленного света в поверхностных водах Средиземного моря. По ним определен вклад компонентов морской воды (взвесь, желтое вещество, пигменты фитопланктона, чистая вода) в показатель ослабления направленного света в разных водах моря. Для поверхностных вод установлена формула связи показателя рассеяния света с показателем ослабления на длине волны 547 нм. Определено фоновое (предельное минимальное) значение показателя поглощения желтым веществом в водах Средиземного моря. Проведено его сравнение с аналогичным показателем в других водоемах – Черном море, оз. Байкал, Балтийском море, океанических водах.
Розраховні модельні спектри показника ослаблення спрямованого світла в поверхневих водах Середземного моря. За ними визначений внесок компонентів морської води (суспензія, жовта речовина, пігменти фітопланктону, чиста вода) в показник ослаблення спрямованого світла в різних водах моря. Для поверхневих вод установлена формула зв'язку показника розсіяння світла з показником ослаблення на довжині хвилі 547 нм. Визначена фонова (гранична мінімальна) величина показника поглинання жовтою речовиною у водах Середземного моря. Проведене його порівняння з аналогічним показником в інших водоймищах: Чорному морі, озері Байкал, Балтійському морі, океанічних водах.
Model spectra of the beam attenuation coefficient for the Mediterranean Sea surface waters are calculated. Based on the spectra, the contribution of seawater components (suspended matter, yellow substance, phytoplankton pigments, pure water) to the beam attenuation coefficient in various types of seawater is defined. The formula of relation between the beam scattering coefficient and the beam attenuation coefficient on 547 nm for surface water is found. The background (limiting minimum) value of the yellow substance absorption coefficient for the Mediterranean Sea waters is defined. It is compared with the analogous parameter in other basins – the Black Sea, the Baikal Lake, the Baltic Sea, oceanic waters.
|
| first_indexed | 2025-11-30T09:16:29Z |
| format | Article |
| fulltext |
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 5 14
© В.И. Маньковский, 2011
Экспериментальные
и экспедиционные исследования
УДК 551.463.5
В.И. Маньковский
Спектральный вклад компонентов морской воды
в показатель ослабления направленного света
в поверхностных водах Средиземного моря
Рассчитаны модельные спектры показателя ослабления направленного света в поверхност-
ных водах Средиземного моря. По ним определен вклад компонентов морской воды (взвесь,
желтое вещество, пигменты фитопланктона, чистая вода) в показатель ослабления направлен-
ного света в разных водах моря. Для поверхностных вод установлена формула связи показате-
ля рассеяния света с показателем ослабления на длине волны 547 нм. Определено фоновое
(предельное минимальное) значение показателя поглощения желтым веществом в водах Сре-
диземного моря. Проведено его сравнение с аналогичным показателем в других водоемах –
Черном море, оз. Байкал, Балтийском море, океанических водах.
Ключевые слова: показатель ослабления, взвесь, хлорофилл, желтое вещество.
Введение
При проведении оптического мониторинга морских водоемов широко
используются измерения показателя ослабления направленного света. Пока-
затель ослабления света (ПОС) является интегральной оптической характери-
стикой, представляющей собой сумму показателей поглощения и рассеяния
света взвешенными и растворенными в воде веществами.
В плане экологического мониторинга водоемов актуальной задачей явля-
ется обращение величин ПОС с целью получения информации о содержа-
щихся в воде веществах и их спектральном вкладе в этот показатель. Эффек-
тивным методом в решении таких обратных задач является моделирование.
В работе [1] расчеты вклада различных компонентов морской воды в
ПОС проводились на основе спектральной физической модели ослабления
света. При этом использовались экспериментальные данные о показателе
рассеяния на длине волны 550 нм для углов 1 и 45° и спектральном поглоще-
нии света водой.
В работах [2, 3] для этих целей применена полуэмпирическая модель, по-
строенная на базе спектральной физической модели [1] с использованием эм-
пирических связей между некоторыми оптическими характеристиками. При
моделировании используется экспериментально измеренное спектральное
распределение ПОС. Критерием адекватности полуэмпирической модели яв-
ляется ее соответствие эксперименту. Подобного типа модель применена и в
настоящей работе.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 5 15
При расчете модельных спектров использовались экспериментальные
спектры ПОС, измеренные в Средиземном море в мае 1998 г. во время экспе-
диции Морского гидрофизического института НАН Украины во 2-м рейсе
НИС «Горизонт». Измерения ПОС проводились лабораторным прозрачноме-
ром [4] в пробах воды с поверхности моря. Показатель ослабления измерялся
в 13 спектральных участках: 416, 432, 468, 490, 506, 527, 547, 567, 587, 610,
625, 640, 677 нм.
Величины оптических характеристик даются в статье при десятичном
основании.
Конструкция модельных спектров ПОС
Спектральные показатели ослабления направленного света водой в)(λε
являются суммой спектральных показателей поглощения и рассеяния сле-
дующих компонентов [1]:
молеквзвчвжвхлв )()()()()()( λσλσλκλκλκλε ++++= , (1)
где хл)(λκ , жв)(λκ , чв)(λκ – показатели поглощения пигментами фито-
планктона (хлорофилл, феофитин), желтым веществом, чистой водой;
взв)(λσ , молек)(λσ – показатели рассеяния взвесью и молекулярного рассея-
ния чистой водой. Сумма вмолеквзв )()()( λσλσλσ =+ есть показатель рас-
сеяния водой. В свою очередь взв.мелквзв.крупвзв )()()( λσλσλσ += , где
взв.круп)(λσ и взв.мелк)(λσ – показатели рассеяния крупной (органической) и
мелкой (минеральной) взвесью.
Поглощение света взвесью в формулу (1) не включено, так как считается,
что оно незначительно [1].
Методика расчета
По аналогии с методиками работ [2, 3] расчеты спектрального распреде-
ления ПОС проводились от опорной длины волны. В данном случае взята
длина волны 547 нм. Для нее определялись величины всех компонентов в
правой части формулы (1). Значение чв)547(κ бралось из работы [5].
Показатель поглощения света пигментами рассчитывался через хлоро-
филл по формуле уд.хлхлхл )547()547( κκ C= , где хлC – концентрация хло-
рофилла в мг/м3, уд.хл)547(κ – удельный показатель поглощения света хло-
рофиллом в м2/мг [6]. По одновременным измерениям в пробах воды показа-
теля ослабления света и концентрации хлорофилла получена следующая
формула:
932,0)547(lg036,2lg вхл += εC . (2)
Среднеквадратическая относительная ошибка определения концентрации
хлорофилла хлCδ по формуле (2) составляет 20%.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 5 16
Для определения показателя рассеяния света водой в)547(σ использова-
лась эмпирическая формула связи показателя рассеяния с показателем ослаб-
ления в океанических водах для длины волны 550 нм из работы [7]
0209,0)550(944,0)550( вв −= εσ . (3)
Оценки по данным [1] показали, что поправка на спектральную изменчи-
вость показателя рассеяния при изменении длины волны от 550 до 547 нм
незначительна, и практически при расчетах можно принять
вв )550()547( σσ = .
Показатель поглощения желтым веществом определялся из формулы (1)
как остаточный член:
вчвхлвжв )547()547()547()547()547( σκκεκ −−−= . (4)
После определения значений всех компонентов при длине волны 547 нм
задавалась их спектральная изменчивость. Спектральные значения чв)(λκ
брались из работы [3].
Значения показателя поглощения желтым веществом на различных
длинах волн рассчитывались по формуле
))547(exp()547()( жвжв λµκλκ −−= . (5)
Параметр µ при длинах волн 490≤λ нм принимался равным 0,019 м-1,
при 490>λ нм 011,0=µ м-1 [8, 9]. Значения уд.хл)(λκ взяты из [6].
Спектральная изменчивость показателя рассеяния света водой задавалась
формулой
n)/547()547()( вв λσλσ = . (6)
Расчет модельных спектров, наилучшим образом отображающих экспе-
риментальные спектры, проводился методом вариации параметра n . В пер-
вых расчетах выяснилось, что использование формулы (3) при
1,0)547( <ε м-1 не позволяет получить хорошее соответствие модели с экс-
периментом. Вследствие этого в дальнейших расчетах значение в)547(σ ,
определенное в первом приближении с использованием формулы (3), тоже
варьировалось. Оптимальное сочетание параметров n и в)547(σ определя-
лось методом наименьших квадратов отклонений модельного спектра от экс-
периментального.
Результаты и их обсуждение
Спектральный вклад компонентов морской воды в показатель ослабления
направленного света в водах Средиземного моря. Для модельных расчетов
взято шесть спектров ПОС, измеренных в водах, отличающихся значениями
показателя ослабления и концентрации хлорофилла (табл. 1).
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 5 17
Т а б л и ц а 1
Измеренные значения ПОС и хлC ,
используемые для расчета модельных спектров
Номер
спектра Район Средиземного моря в.эксп)547(ε ,
м
-1
хлС ,
мг/м3
1 Апвеллинг у юго-восточного побе-
режья о. Сицилия
0,308
0,78
2 Море Альборан,
пелагиаль в западной части
0,214
0,37
3 Море Альборан,
пелагиаль в центральной части
0,157
0,20
4 Ионическое море,
пелагиаль в южной части
0,092
0,07
5 Эгейское море,
пелагиаль в южной части
0,084
0,05
6 Тунисский пролив 0,054 0,02
Оптимальные значения n и в)547(σ для модельных спектров ПОС даны
в табл. 2. Результаты модельных расчетов представлены в табл. 3 и 4 и на ри-
сунке. В табл. 5 – 10 приведен спектральный вклад отдельных компонентов в
общий показатель ослабления света водой, рассчитанный по модельным
спектрам.
Т а б л и ц а 2
Оптимальные значения параметра
модn
и показателя рассеяния в.мод)547(σ для модельных спектров
Номер спектра в.мод)547(σ , м-1
модn
1 0,277 0,5
2 0,184 0,5
3 0,128 0,5
4 0,064 0,6
5 0,056 0,7
6 0,026 0,8
Из табл. 4 видно, что среднеквадратическое относительное отклонение
модельных спектров от экспериментальных составляет 2,3 – 7,7%. Макси-
мальные отклонения в отдельных точках находятся в пределах 5,2 – 14,1%.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 5 18
Т а б л и ц а 3
Экспериментальные и рассчитанные значения показателя
ослабления направленного света 310)( ⋅вλε м-1 для спектров
в разных по прозрачности поверхностных водах Средиземного моря
П р и м е ч а н и е: эксп. – экспериментальный, мод. – модельный тип спектров.
Т а б л и ц а 4
Максимальные и среднеквадратические модS отклонения
модельных спектров от экспериментальных
Номер
спектра
нм ,
м ,)(
max
-1
maxмодэксп
λ
εε −
экспmaxмодэксп /)( εεε − ,
% модS , м-1 модS , %
1
468
0,017−
–5,2 0,008 2,3
2
625
0,018
5,7 0,011 4,2
3
625
0,018
6,9 0,008 4,1
4
625
0,019
9,4 0,005 4,3
5
625
0,014
7,4 0,005 4,3
6
587
0,013
14,1 0,007 7,7
П р и м е ч а н и е. В знаменателе приведена длина волны, при которой наблюдалось мак-
симальное отклонение.
Параметр n , характеризующий спектральную изменчивость рассеяния
света водой (табл. 2), для спектров 1 – 3, измеренных в более мутных водах,
Спектры Длина волны, нм
№ Тип 416 432 468 490 506 527 547 567 587 610 625 640 677
1 эксп. 392 370 325 314 310 310 308 308 337 371 390 390 447
1 мод. 388 376 342 325 315 311 308 308 325 382 387 396 457
2 эксп. 269 258 217 208 207 207 214 226 252 300 317 320 385
2 мод. 268 255 230 219 215 215 214 215 234 293 299 309 370
3 эксп. 188 183 152 148 144 152 157 162 183 233 264 262 314
3 мод. 196 184 164 156 155 157 157 160 180 239 246 256 318
4 эксп. 119 112 92 80 81 84 92 99 124 165 203 203 250
4 мод. 117 106 91 85 87 90 92 96 117 177 184 195 257
5 эксп. 112 104 77 69 74 77 84 92 118 163 190 190 246
5 мод. 109 98 82 77 79 82 84 88 109 169 176 187 249
6 эксп. 69 64 44 45 45 52 54 66 93 140 162 168 214
6 мод. 70 60 48 44 47 51 54 58 80 141 149 160 223
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 5 19
одинаковый, 5,0мод =n . В чистых водах он возрастает и составляет
6,0мод =n для спектра 4, 7,0мод =n – для спектра 5, 8,0мод =n – для спектра
6. Такая изменчивость параметра n объясняется следующими факторами.
Показатель рассеяния света водой является суммой показателей рассея-
ния крупной (биологической) взвесью, мелкой (минеральной) взвесью, чис-
той водой (молекулярное рассеяние):
молеквзв.мелквзв.крупв )()()()( λσλσλσλσ ++= . (7)
Спектральная изменчивость показателей рассеяния для отдельных ком-
понентов, согласно моделям рассеяния света в [1], выражается формулами
3,0
взв.круп ~)( −λλσ ; 7,1
взв.мелк ~)( −λλσ ; 3,4
молек ~)( −λλσ . (8)
В наших расчетах спектральная изменчивость показателя рассеяния света
водой задана общим параметром n−λλσ ~)( в . Как следует из (8), параметр
n зависит от соотношения во взвеси крупной и мелкой фракций. В более
чистых водах концентрация биологической взвеси меньше, вследствие чего
возрастает относительное содержание мелкой фракции, а это приводит к уве-
личению параметра n .
Найденное в результате подбора оптимальное для моделирования спек-
тров ПОС значение параметра в.мод)547(σ (табл. 2) связано с показателем
ослабления в.эксп)547(ε соотношением
027,0)547(986,0)547( в.экспв.мод −= εσ , (9)
коэффициент корреляции для данной связи 998,0=r .
Экспериментальные и модельные спектры (1 – 6) показателя ослабления направленного света
в поверхностных водах Средиземного моря
эксперимент
модель
6
5
4
3
2
1
0
50
100
150
200
250
300
350
400
450
500
416 432 468 490 506 527 547 567 587 610 625 640 677
Длина волны, нм
П
о
к
а
з
а
т
е
л
ь
о
с
л
а
б
л
е
н
и
я
,
×1
00
0,
м
-1
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 5 20
Т а б л и ц а 5
Спектральный вклад (%) компонентов морской воды в показатель
ослабления направленного света для спектра 1 при 78,0хл =C мг/м3
Поглощение Рассеяние Длина
вол-
ны,
нм
Чис-
тая
вода
Желтое
вещество
Хлоро-
филл
Взвесь +
молекулярное
Молеку-
лярное
в.мод)(λε ,
м
-1
416 0,5 11,8 6,0 81,7 0,6 0,388
432 0,6 9,0 7,5 82,9 0,5 0,376
468 1,3 5,0 6,2 87,5 0,4 0,342
490 2,0 3,5 4,5 90,0 0,3 0,325
506 3,6 3,0 2,2 91,2 0,3 0,315
527 5,9 2,4 1,1 90,6 0,3 0,311
547 7,5 1,9 0,8 89,8 0,3 0,308
567 9,4 1,6 0,7 88,3 0,2 0,308
587 16,0 1,2 0,7 82,1 0,2 0,325
610 30,1 0,8 0,6 68,5 0,1 0,382
625 31,9 0,6 0,6 66,9 0,1 0,387
640 34,1 0,6 0,6 64,7 0,1 0,396
677 43,6 0,3 1,7 54,4 0,1 0,457
Т а б л и ц а 6
Спектральный вклад (%) компонентов морской воды в показатель
ослабления направленного света для спектра 2 при 37,0хл =C мг/м3
Поглощение Рассеяние Длина
волны,
нм Чистая
вода
Желтое
вещество
Хлоро-
филл
Взвесь +
молеку-
лярное
Молеку-
лярное
в.мод)(λε ,
м
-1
416 0,7 16,5 4,1 78,7 0,9 0,268
432 0,9 12,8 5,3 81,0 0,8 0,255
468 2,0 7,2 4,4 86,4 0,6 0,230
490 3,0 5,0 3,2 88,8 0,5 0,219
506 5,4 4,2 1,5 88,9 0,5 0,215
527 8,6 3,4 0,7 87,3 0,4 0,215
547 10,8 2,7 0,5 86,0 0,4 0,214
567 13,5 2,2 0,4 83,9 0,3 0,215
587 22,2 1,6 0,4 75,8 0,3 0,234
610 39,2 1,0 0,4 59,4 0,2 0,293
625 41,2 0,8 0,4 57,6 0,1 0,299
640 43,8 0,7 0,4 55,1 0,1 0,309
677 53,9 0,4 1,0 44,7 0,1 0,370
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 5 21
Т а б л и ц а 7
Спектральный вклад (%) компонентов морской воды в показатель
ослабления направленного света для спектра 3 при 20,0хл =C мг/м3
Поглощение Рассеяние Длина
волны,
нм Чистая
вода
Желтое
вещество
Хлоро-
филл
Взвесь +
молеку-
лярное
Молеку-
лярное
в.мод)(λε ,
м
-1
416 1,0 21,4 3,0 74,6 1,2 0,196
432 1,2 16,8 4,0 78,0 1,1 0,184
468 2,7 9,5 3,4 84,4 0,9 0,164
490 4,2 6,6 2,4 86,8 0,7 0,156
506 7,4 5,5 1,2 85,9 0,6 0,155
527 11,8 4,4 0,6 83,2 0,6 0,157
547 14,7 3,5 0,4 81,4 0,5 0,157
567 18,2 2,8 0,4 78,6 0.4 0,160
587 29,0 1,9 0,3 68,8 0,3 0,180
610 48,0 1,2 0,3 50,5 0,2 0,239
625 50,1 0,9 0,2 48,8 0,2 0,246
640 52,8 0,8 0,2 46,2 0,2 0,256
677 62,8 0,4 0,6 36,2 0,1 0,318
Т а б л и ц а 8
Спектральный вклад (%) компонентов морской воды в показатель
ослабления направленного света для спектра 4 при 07,0хл =C мг/м3
Поглощение Рассеяние Длина
волны,
нм Чистая
вода
Желтое
вещество
Хлоро-
филл
Взвесь +
молеку-
лярное
Молеку-
лярное
в.мод)(λε ,
м
-1
416 1,6 32,5 1,8 64,1 2,0 0,117
432 2,1 26,4 2,4 69,1 1,9 0,106
468 4,9 15,8 2,1 77,2 1,5 0,091
490 7,6 11,0 1,5 79,9 1,3 0,085
506 13,3 9,1 0,7 76,9 1,1 0,087
527 20,5 6,9 0,3 72,3 1,0 0,090
547 25,1 5,4 0,2 69,3 0,9 0,092
567 30,4 4,3 0,2 65,1 0,7 0,096
587 44,6 2,8 0,2 52,4 0,5 0,117
610 64,9 1,4 0,1 33,6 0,3 0,177
625 66,9 1,1 0,1 31,9 0,2 0,184
640 69,3 0,9 0,1 29,7 0,2 0,195
677 77,4 0,5 0,3 21,8 0,1 0,257
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 5 22
Т а б л и ц а 9
Спектральный вклад (%) компонентов морской воды в показатель
ослабления направленного света для спектра 5 при 05,0хл =C мг/м3
Поглощение Рассеяние
Длина
волны,
нм
Чистая
вода
Желтое
вещество
Хлоро-
филл
Взвесь +
молеку-
лярное
Молеку-
лярное
в.мод)(λε ,
м
-1
416 1,7 34,9 1,4 62,0 2,1 0,109
432 2,3 28,7 1,8 67,2 2,0 0,098
468 5,5 17,3 1,7 75,5 1,7 0,082
490 8,4 12,2 1,3 78,1 1,4 0,077
506 14,6 10,0 0,5 74,9 1,3 0,079
527 22,5 7,5 0,2 69,8 1,1 0,082
547 27,5 6,0 0,1 66,4 1,0 0,084
567 33,1 4,6 0,1 62,2 0,8 0,088
587 47,9 2,9 0,2 49,0 0,6 0,109
610 67,9 1,5 0,1 30,5 0,3 0,169
625 69,9 1,2 0,1 28,8 0,2 0,176
640 72,2 1,0 0,1 26,7 0,2 0,187
677 80,0 0,5 0,2 19,3 0,1 0,249
Т а б л и ц а 10
Спектральный вклад (%) компонентов морской воды в показатель
ослабления направленного света для спектра 6 при 02,0хл =C мг/м3
Поглощение Рассеяние
Длина
волны,
нм
Чистая
вода
Желтое
вещество
Хлоро-
филл
Взвесь +
молеку-
лярное
Молеку-
лярное
в.мод)(λε ,
м
-1
416 2,7 50,0 0,9 46,4 3,3 0,070
432 3,6 42,9 1,2 52,3 3,3 0,060
468 9,4 27,4 1,0 62,2 2,9 0,048
490 14,7 19,5 0,9 64,9 2,5 0,044
506 24,6 15,4 0,4 59,6 2,1 0,047
527 36,1 11,1 0,2 52,6 1,8 0,051
547 42,8 8,5 0,2 48,5 1,5 0,054
567 49,7 6,3 0,2 43,8 1,2 0,058
587 65,1 3,8 0,1 31,0 0,8 0,080
610 81,3 1,6 0,1 17,0 0,4 0,141
625 82,8 1,3 0,1 15,8 0,3 0,149
640 84,4 1,1 0,1 14,4 0,2 0,160
677 89,5 0,5 0,1 9,9 0,1 0,223
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 5 23
Расчеты по модельным спектрам, представленные в табл. 5 – 10, показы-
вают вклад отдельных компонентов морской воды в суммарный показатель
ослабления света в различных водах Средиземного моря. Отметим общие за-
кономерности.
1. В коротковолновой области спектра 416 – 547 нм во всех водах основ-
ной вклад в показатель ослабления света вносит взвесь. Ее максимальный
вклад в общее ослабление приходится на область спектра 490 – 506 нм, где он
составляет 64,9% ( 490=λ нм) в наиболее чистых водах (спектр 6) и 91,2%
( 506=λ нм) – в мутных водах (спектр 1).
2. Желтое вещество дает максимальный вклад в показатель ослабления
света в крайней коротковолновой области спектра. На длине волны 416 нм он
составляет 11,8% в мутных водах (спектр 1) и 50% – в наиболее чистой воде
(спектр 6). В области длин волн 567>λ нм вклад желтого вещества во всех
водах менее 6,3%.
3. Чистая вода вносит существенный вклад в ослабление света в средней
и длинноволновой областях спектра. Ее вклад 14,7% в наиболее прозрачной
морской воде (спектр 6) наблюдается уже при 490=λ нм, он возрастает до
89,5% при 677=λ нм.
4. Вклад хлорофилла в ослабление света максимален при 432=λ нм, в
целом во всех водах он невелик – 7,5% (спектр 1) и 1,2% (спектр 6).
5. Молекулярное рассеяние света водой вносит ощутимый вклад лишь в
наиболее чистой воде (спектр 6), 1,2 – 3,3% в области длин волн 416 – 567 нм.
Вышеуказанные закономерности спектрального вклада компонентов в
ослабление света в водах Средиземного моря подобны сформулированным в
работе [1] по результатам моделирования спектрального распределения пока-
зателя ослабления света в водах Индийского и Тихого океанов.
В табл. 11 для сравнения приведены результаты моделирования спек-
трального распределения ПОС и вклад в ослабление света отдельных компо-
нентов для поверхностных прибрежных вод Средиземного моря и вод Тихого
океана по модельным расчетам в работе [1, табл. 8.12]. Сравнение показывает
близкий порядок величин спектрального вклада в ПОС для всех компонен-
тов. Важным моментом является факт, что в сравниваемых водах при практи-
чески одинаковых спектральных величинах параметра «вероятность выжива-
ния фотона» (относительный вклад рассеяния в ПОС) одинаково положение
его максимума на длине волны 510 нм.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 5 24
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 5 25
Фоновое желтое вещество в водах Средиземного моря. В работе [10] для
вод Черного моря получена формула связи показателя рассеяния света водой
с показателем ослабления для длины волны 525 нм
0315,0)525(98,0)525( вв −= εσ , (10)
выяснено, что дает формула (10) в предельном случае, когда в воде отсутст-
вует всякая взвесь – и минеральная, и органическая, т. е. 0)525( взв =σ .
В этом случае молекв )525()525( σσ = , 0)525( хл =κ и показатель ослабления
света водой, согласно (1), равен
молекчвжв.фонв )525()525()525()525( σκκε ++= . (11)
Из формул (10) и (11) следует
чвмолекмолекжв.фон )525()525(98,0/]0315,0)525([)525( κσσκ −−+= . (12)
Параметр жв.фон)525(κ в [10] назван фоновым показателем поглощения
света желтым веществом, являющимся минимальным для данного водоема.
То есть считается, что жв.пержв.фонжв )()()( λκλκλκ += , где жв.фон)(λκ – фо-
новая (постоянная) составляющая показателя поглощения света желтым ве-
ществом в водоеме, на которую накладывается переменная составляющая
жв.пер)(λκ , связанная с переменной концентрацией фитопланктона и других
растительных организмов, при отмирании которых образуется желтое веще-
ство. Так как в рассматриваемом предельном случае органическая взвесь от-
сутствует, то 0)( жв.пер =λκ . Показатели поглощения жв.фон)(λκ и жв.пер)(λκ ,
очевидно, связаны с консервативной и неустойчивой фракциями желтого ве-
щества, образующимися при разложении органической взвеси в данном во-
доеме, а также приносимыми в него с водами рек. При этом в результате вы-
носа желтого вещества с суши реками и действия биохимических процессов
преобразования органического вещества, протекающих в данном водоеме,
содержание консервативной фракции желтого вещества находится на некото-
ром характерном уровне. Очевидно, в связи с сезонной и межгодовой измен-
чивостью биогеохимических процессов преобразования органического веще-
ства этот фоновый уровень содержания желтого вещества может изменяться.
Однако о его возможных временных изменениях данных пока нет. В связи с
этим значение жв.фон)(λκ , определяемое по формуле (12), будем условно счи-
тать постоянным и минимальным для водоема в данный временной период.
Подстановка в формулу (12) значений молек)525(σ и чв)525(κ из работ
[5, 11] дает для вод Черного моря 014,0)525( жв.фон =κ м-1. В пересчете на
длину волны 550 нм при параметре спектральной изменчивости желтого ве-
щества 011,0=µ получается, что 0106,0)550( жв.фон =κ м-1.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 5 26
Используя такой же подход к формуле (9), находим для Средиземного
моря 0043,0)547( жв.фон =κ м
-1, для длины волны 550 нм
00416,0)550( жв.фон =κ м-1. То есть фоновая концентрация желтого вещества
в Средиземном море намного меньше, чем в Черном. Такое соотношение
можно объяснить тем, что основным источником желтого вещества в море,
согласно работе [12], являются воды впадающих в него рек. Удельный реч-
ной сток (на единичную площадь водоема) в Черное море намного больше,
чем в Средиземное.
Для сравнения приведем фоновую величину показателя поглощения жел-
тым веществом для оз. Байкал и Балтийского моря. В работе [2] для вод Бай-
кала получена формула
026,0)480(93,0)480( вв −= εσ . (13)
С учетом этой формулы 0225,0)480( жв.фон =κ м-1. Пересчет на длину волны
550 нм дает 0096,0)550( жв.фон =κ м-1.
Для вод Балтийского моря в [13] получена формула связи
0336,0)555(9393,0)555( вв −= εσ . (14)
Согласно этой формуле, для длины волны 550 нм 0105,0)550( жв.фон =κ м-1.
При расчете жв.фон)550(κ для океанических вод по формуле связи из
работы [7] 0209,0)550(944,0)550( вв −= εσ получается отрицательное
значение этого параметра, 0024,0)550( жв.фон −=κ м-1. Какова причина такого
результата, неясно.
В работе [7] есть данные одновременных измерений в)550(σ и в)550(ε
из [14, 15]. Всего проведено 13 измерений – в океанических водах типа 1 и 2
(Case 1 и Case 2 по классификации Мореля), а также в прибрежных водах.
Показатель ослабления в)550(ε изменялся в диапазоне 0,091 – 1,71 м-1.
Расчет по этим измерениям дает следующую формулу связи (коэффициент
корреляции 998,0=r ):
0314,0)550(949,0)550( вв −= εσ . (15)
Для данной связи в океанических водах при длине волны 550 нм
0086,0)550( жв.фон =κ м
-1.
В табл. 12 приведены значения жв.фон)550(κ для разных водоемов, а также
фоновые концентрации желтого вещества жв.фонC . Для расчета использовались
данные работы [16], в которой была измерена концентрация желтого вещества
и определен его показатель поглощения жв)450(κ . Согласно [16], удельный
показатель поглощения желтым веществом уд.жв)450(κ составил 0,0922 м2/г.
Зная жв)450(κ , можно определить концентрацию желтого вещества:
уд.жвжвжв )450(/)450( κκ=С . (16)
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 5 27
Для использования формулы (16) значения жв.фон)550(κ были пересчита-
ны на длину волны 450 нм.
Т а б л и ц а 12
Фоновое значение показателя поглощения света
желтым веществом и его концентрация в разных водоемах
Водоем жв.фон)550(κ ,
м
-1
жв.фонС ,
г/м3
Средиземное море (настоящая работа) 0,0042 0,19
Океанические воды [14, 15] 0,0086 0,38
Озеро Байкал [2] 0,0096 0,43
Балтийское море [13] 0,0105 0,47
Черное море [10] 0,0106 0,48
Выводы
1. Рассчитаны модельные спектры показателя ослабления направленного
света (область длин волн 416 – 677 нм) в поверхностных водах Средиземного
моря. Среднеквадратическое относительное отклонение модельных спектров
от экспериментальных, рассчитанных для вод разной прозрачности, состави-
ло 2,3 – 7,7%.
2. По модельным спектрам рассчитан вклад оптически активных компо-
нентов морской воды (взвесь, желтое вещество, пигменты фитопланктона,
чистая вода) в показатель ослабления направленного света в разных по про-
зрачности водах Средиземного моря.
3. Для поверхностных вод Средиземного моря установлена формула свя-
зи показателя рассеяния света с показателем ослабления на длине волны
547 нм.
4. Определен фоновый показатель поглощения желтым веществом в во-
дах Средиземного моря. Проведено его сравнение с аналогичным показате-
лем в других водоемах – Черном море, оз. Байкал, Балтийском море, океани-
ческих водах. В Средиземном море фоновый показатель поглощения желтым
веществом наиболее низкий.
Автор благодарит старшего научного сотрудника ИнБЮМ НАН Украи-
ны Г.П. Берсеневу, проводившую в экспедиции определения концентрации
хлорофилла, за предоставленные данные для установления связи содержания
хлорофилла с показателем ослабления света.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 5 28
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Копелевич О.В. Малопараметрическая модель оптических свойств морской воды // Оп-
тика океана. Т. 1. Физическая оптика океана / Под ред. А.С. Монина. – М.: Наука,
1983. – С. 208 – 234.
2. Маньковский В.И., Шерстянкин П.П. Спектральная модель показателя ослабления на-
правленного света в водах озера Байкал в летний период // Морской гидрофизический
журнал. – 2007. – № 6. – С. 39 – 46.
3. Mankovsky V.I., Mankovskaya E.V. Spectral model of beam attenuation coefficient in the
Black Sea waters // Proc. of V International Conference «Current Problems in Optics of Natu-
ral Waters». – St. Petersburg: D.S. Rozhdestvensky Optical Society, 2009. – P. 219 – 223.
4. Маньковский В.И., Кайгородов М.Н. Лабораторный автоколлимационный прозрачномер
с переменной базой // Автоматизация научных исследований морей и океанов. 5-я Все-
союзная школа. – Севастополь: МГИ АН УССР, 1980. – С. 91 – 92.
5. Pope R.M., Fry E.S. Absorption spectrum (380-700 nm) of pure water. II Integration cavity
measurements // Appl. Optics. – 1997. – 36, № 33. – P. 8710 – 8723.
6. Карабашев Г.С. Пигменты фитопланктона // Оптика океана. Т. 1. Физическая оптика
океана / Под ред. А.С. Монина. – М.: Наука, 1983. – С. 163 – 166.
7. Левин И.М., Копелевич О.В. Корреляционные соотношения между первичными гидро-
оптическими характеристиками в спектральном диапазоне около 550 нм // Океаноло-
гия. – 2007. – 47, № 3. – С. 374 – 379.
8. Carder K.L., Steward R.G., Harvey G.R. et al. Marine humic and fulvic acids: Their affects
on remote sensing of ocean chlorophyll // Limnol. Oceanogr. – 1989. – 34, № 1. – P. 68 – 81.
9. Копелевич О.В., Люцарев С.В., Родионов В.В. Спектральное поглощение света «желтым
веществом» океанской воды // Океанология . – 1989. – 29, № 3. – С. 409 – 414.
10. Маньковский В.И. Вероятность выживания фотона и ее связь с показателем ослабления
направленного света в водах Черного моря // Морской гидрофизический журнал. –
2005. – № 6. – C. 68 – 75.
11. Копелевич О.В. Факторы, определяющие оптические свойства морской воды // Оптика
океана. Т. 1. Физическая оптика океана / Под ред. А.С. Монина. – М.: Наука, 1983. –
С. 150 – 163.
12. Hojerslev N.K. On the origin of yellow substance in the marine environment // Stud. Phys.
Oceanogr. – Copenhagen: Kobenhavns Universitet, Institut for Fysisk Oceanografi, 1980. –
№ 42. – P. 39 – 56.
13. Levin I., Darecki M., Sagan S. et al. New Baltic Sea data on relationships between inherent
optical properties at 550 nm // Proc. of V International Conference «Current Problems in Op-
tics of Natural Waters». – St. Petersburg: D.S. Rozhdestvensky Optical Society, 2009. –
P. 162 – 165.
14. Morel A., Prieur I. Analysis of variation in ocean color // Limnol. Oceanogr. – 1977. – 22,
№ 4. – P. 709 – 722.
15. Schoonmaker J.S., Hammond R.R., Heath A.L. et al. A numerical model for prediction of
sublittoral optical visibility // Ocean Optics XXII. – Bergen: Soc. Photo-Optic. Instrument.
Engin., 1994. – 2258. – P. 685 – 702.
ISSN 0233-7584. Мор. гидрофиз. журн., 2011, № 5 29
16. Nyquist G. Investigation of some optical properties of sea water with special reference to lig-
nin sulfonates and humic substances // Thes. Dep. Anal. Mar. Chem. – Gotheburg, 1979. –
P. 200.
Морской гидрофизический институт НАН Украины, Материал поступил
Севастополь в редакцию 02.04.10
После доработки 15.06.10
АНОТАЦІЯ Розраховні модельні спектри показника ослаблення спрямованого світла в повер-
хневих водах Середземного моря. За ними визначений внесок компонентів морської води (су-
спензія, жовта речовина, пігменти фітопланктону, чиста вода) в показник ослаблення спрямо-
ваного світла в різних водах моря. Для поверхневих вод установлена формула зв'язку показ-
ника розсіяння світла з показником ослаблення на довжині хвилі 547 нм. Визначена фонова
(гранична мінімальна) величина показника поглинання жовтою речовиною у водах Середзем-
ного моря. Проведене його порівняння з аналогічним показником в інших водоймищах: Чор-
ному морі, озері Байкал, Балтійському морі, океанічних водах.
Ключові слова: показник ослаблення, суспензія, хлорофіл, жовта речовина.
ABSTRACT Model spectra of the beam attenuation coefficient for the Mediterranean Sea surface
waters are calculated. Based on the spectra, the contribution of seawater components (suspended mat-
ter, yellow substance, phytoplankton pigments, pure water) to the beam attenuation coefficient in
various types of seawater is defined. The formula of relation between the beam scattering coefficient
and the beam attenuation coefficient on 547 nm for surface water is found. The background (limiting
minimum) value of the yellow substance absorption coefficient for the Mediterranean Sea waters is
defined. It is compared with the analogous parameter in other basins – the Black Sea, the Baikal Lake,
the Baltic Sea, oceanic waters.
Keywords: attenuation coefficient, suspended matter, chlorophyll, yellow substance.
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-56699 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0233-7584 |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-11-30T09:16:29Z |
| publishDate | 2011 |
| publisher | Морський гідрофізичний інститут НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Маньковский, В.И. 2014-02-22T15:51:18Z 2014-02-22T15:51:18Z 2011 Спектральный вклад компонентов морской воды в показатель ослабления направленного света в поверхностных водах Средиземного моря / В.И. Маньковский // Морской гидрофизический журнал. — 2011. — № 5. — С. 14-29. — Бібліогр.: 16 назв. — рос. 0233-7584 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/56699 551.463.5 Рассчитаны модельные спектры показателя ослабления направленного света в поверхностных водах Средиземного моря. По ним определен вклад компонентов морской воды (взвесь, желтое вещество, пигменты фитопланктона, чистая вода) в показатель ослабления направленного света в разных водах моря. Для поверхностных вод установлена формула связи показателя рассеяния света с показателем ослабления на длине волны 547 нм. Определено фоновое (предельное минимальное) значение показателя поглощения желтым веществом в водах Средиземного моря. Проведено его сравнение с аналогичным показателем в других водоемах – Черном море, оз. Байкал, Балтийском море, океанических водах. Розраховні модельні спектри показника ослаблення спрямованого світла в поверхневих водах Середземного моря. За ними визначений внесок компонентів морської води (суспензія, жовта речовина, пігменти фітопланктону, чиста вода) в показник ослаблення спрямованого світла в різних водах моря. Для поверхневих вод установлена формула зв'язку показника розсіяння світла з показником ослаблення на довжині хвилі 547 нм. Визначена фонова (гранична мінімальна) величина показника поглинання жовтою речовиною у водах Середземного моря. Проведене його порівняння з аналогічним показником в інших водоймищах: Чорному морі, озері Байкал, Балтійському морі, океанічних водах. Model spectra of the beam attenuation coefficient for the Mediterranean Sea surface waters are calculated. Based on the spectra, the contribution of seawater components (suspended matter, yellow substance, phytoplankton pigments, pure water) to the beam attenuation coefficient in various types of seawater is defined. The formula of relation between the beam scattering coefficient and the beam attenuation coefficient on 547 nm for surface water is found. The background (limiting minimum) value of the yellow substance absorption coefficient for the Mediterranean Sea waters is defined. It is compared with the analogous parameter in other basins – the Black Sea, the Baikal Lake, the Baltic Sea, oceanic waters. Автор благодарит старшего научного сотрудника ИнБЮМ НАН Украины Г.П. Берсеневу, проводившую в экспедиции определения концентрации хлорофилла, за предоставленные данные для установления связи содержания хлорофилла с показателем ослабления света. ru Морський гідрофізичний інститут НАН України Морской гидрофизический журнал Экспериментальные и экспедиционные исследования Спектральный вклад компонентов морской воды в показатель ослабления направленного света в поверхностных водах Средиземного моря Article published earlier |
| spellingShingle | Спектральный вклад компонентов морской воды в показатель ослабления направленного света в поверхностных водах Средиземного моря Маньковский, В.И. Экспериментальные и экспедиционные исследования |
| title | Спектральный вклад компонентов морской воды в показатель ослабления направленного света в поверхностных водах Средиземного моря |
| title_full | Спектральный вклад компонентов морской воды в показатель ослабления направленного света в поверхностных водах Средиземного моря |
| title_fullStr | Спектральный вклад компонентов морской воды в показатель ослабления направленного света в поверхностных водах Средиземного моря |
| title_full_unstemmed | Спектральный вклад компонентов морской воды в показатель ослабления направленного света в поверхностных водах Средиземного моря |
| title_short | Спектральный вклад компонентов морской воды в показатель ослабления направленного света в поверхностных водах Средиземного моря |
| title_sort | спектральный вклад компонентов морской воды в показатель ослабления направленного света в поверхностных водах средиземного моря |
| topic | Экспериментальные и экспедиционные исследования |
| topic_facet | Экспериментальные и экспедиционные исследования |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/56699 |
| work_keys_str_mv | AT manʹkovskiivi spektralʹnyivkladkomponentovmorskoivodyvpokazatelʹoslableniânapravlennogosvetavpoverhnostnyhvodahsredizemnogomorâ |