Цвет воды. Концентрация фитопланктона

Тема 1 Исследования Мирового океана средствами дистанционного зондирования

Цвет морской воды, наблюдаемый из космоса и регистрируемый датчиками, определяется, главным образом, содержанием в ней фитопланктона. Морской фитопланктон представляет собой одноклеточные микроскопические растительные организмы размером от 1 мкм до 1 мм и включает представителей многих групп водорослей: диатомовых (Bacillariophyta), динофлагеллят (Pirrophyta), кокколитофорид (Coccolithus), кремнежгутиковых (Silicoflagellata), криптомонад (Cryptophyta), хризомонад (Chrysophyta), зеленых (Chlorophyta) и сине-зеленых (Cyanophyta) водорослей. Из них первые три группы обычно преобладают в морских биоценозах.

Морской фитопланктон представляет значительный интерес ввиду его повсеместного распространения и большого значения в биологической продуктивности Мирового океана. В его состав входят автотрофные (фотосинтезирующие), гетеротрофные (использующие растворенное органическое вещество) и фаготрофные (питающиеся отдельными частицами) организмы. Автотрофные организмы, имеющие хлорофилл, часто преобладают по численности и являются важными продуцентами первичной органической продукции, синтезируемой при фотосинтезе. Как начальное звено пищевой цепи, фитопланктон обеспечивает пищу зоопланктону и др. организмам пищевых цепей.

Значительное скопление в поверхностном слое мельчайших морских организмов вызывает изменение его окраски, которое называют цветением моря. Часто наблюдается обильное цветение воды за счет развития фитопланктона, когда популяция достигает 10⁸-10¹⁰ клеток на 1 л. Оно бывает красного, коричневого, желтого, молочно-белого и др. цветов. Наблюдается цветение в виде обширных пятен или полос большой протяженности, часто хорошо видимых из космоса.

При цветении динофлагеллят цвет воды становится ржаво-красным ('красный прилив').

Во время роста, а также при разложении фитопланктон выделяет различные органические вещества, которые всплывают на поверхность и образуют тонкие биогенные пленки, состоящие из высокомолекулярных органических соединений. Эти пленки скапливаются в зонах конвергенции морских течений, вихрей, внутренних волн и визуализируют эти явления для наблюдателя.

Развитие бурых видов фитопланктона (Pirrophyta) в центральной части Аравийского моря
на фотоснимке с орбитальной станции

ї NASA

Применение дистанционного зондирования для оценки концентрации фитопланктона в верхнем слое океана и его первичной продуктивности основана на оптических свойствах пигмента фитопланктона. Известно, что пигмент фитопланктона поглощает энергию преимущественно в голубой и красной зонах спектра и отражает в зеленой. Таким образом, существует определенное соотношение между спектральным отражением поверхностного слоя океана и содержанием в нем пигментов фитопланктона. Соотношение яркости в голубой и зеленой спектральных зонах и определяет цвет воды ('цветовой индекс').

На основании полученных in situ количественных зависимостей цветового индекса от концентрации фитопланктона и определяют содержание фотосинтезирующего пигмента (хлорофилла - зеленого пигмента растительных клеток, играющего основную роль в фотосинтезе).

Снимок северной части Тихого океана, полученный датчиком SeaWiFS (Sea-viewing Wide Field-of-view Sensor) 26-27 июня 2000г. позволяет обнаружить обширные акватории, где по различию в цвете океана выделяются два разных вида фитопланктона. Скопления кокколитофоры имеют на снимке ярко голубой цвет, который объясняется наличием у этого вида микроорганизмов белой кальциевой раковины, хорошо отражающей солнечный свет даже сквозь толщу воды.

ї NASA Visible Earth

Впервые данные о цвете океана были получены при помощи сканера цвета моря CZCS (Coastal Zone Color Scanner), который был установлен на спутнике Nimbus-7. Съемка проводилась с 1978 по 1986 гг., сканер CZCS поставлял регулярные данные о цвете океана в 6 каналах видимой и ближней инфракрасной частях спектра с разрешением около 1 км. Хотя эксперимент по съемке цвета океана при помощи сканера CZCS планировался всего на 1 год, успех работы аппаратуры и разработки алгоритмов обработки получаемой информации позволили получить большой массив новых данных о распределении и первичной продуктивности океана за несколько лет. В Университете Майами и Годдардовском центре космических полетов НАСА были разработаны методы создания по данным такой съемки глобальных и региональных карт концентрации фитопланктона. В результате был создан атлас "Ocean Color from Space" (Цвет океана из космоса), где собраны глобальные и региональные разновременные карты цвета океана, характеризующие распределение концентрации хлорофилла в различных районах Мирового океана.
Ниже приведены примеры изображений из атласа.

		На глобальной карте цветового индекса хорошо прослеживаются главные черты распределения фитопланктона в Мировом океане - его концентрация в более холодных прибрежных шельфовых водах (желто-оранжево-красные цвета) и в районах подъема холодных глубинных вод (апвеллингов) при относительной бедности вод открытого океана и наличии 'океанических пустынь' в тропических и субтропических широтах (сине-фиолетовые цвета). Увеличение концентрации фитопланктона в экваториальных водах Атлантического и Тихого океанов в октябре-декабре (голубая полоса) обусловлено подъемом относительно холодных вод в связи с ветровой деятельностью.
Цвет океана за период октябрь-декабрь 1979 г. по данным CZCS

Относительно чистые, бедные пигментом воды Средиземного моря, закодированные сине-голубыми цветами контрастируют с богатыми планктоном водами Атлантики северо-западнее Испании. Вихрь вблизи Гибралтара вызван сложным обменом вод Атлантики и и Средиземноморья.

Цвет воды Средиземного моря в мае 1980 г.по данным CZCS

С 1986 по 1996 регулярные данные о цвете океана практически не поступали в связи с отсутствием подходящих спутников и сенсоров.

В настоящее время наблюдения фитопланктона (точнее хлорофилла 'а') и его пространственного распределения из космоса ведутся также при помощи спектрорадиометров MERIS (Medium Resolution Imaging Spectrometer) на спутнике Envisat и MODIS (Moderate Resolution Imaging Spectrometer) - на спутниках Terra и Aqua. На Международной космической станции с участием российских и американских экипажей проводится эксперимент 'Диатомея', имеющий целью получение данных, характеризующих устойчивость географического положения и формы границ биопродуктивных районов Мирового океана, наблюдаемых из космоса.

Основное применение данных о цвете океана - рыболовство. Данные о цвете океана совместно с данными о температуре поверхностного слоя воды (SST) используются для направления рыбаков и рыбацких судов в акватории, где может быть обнаружена рыба. Это основано на принципе цепи питания - изобилие фитопланктона приводит к изобилию зоопланктона, питающегося им, что в свою очередь приводит к изобилию рыбы, питающейся зоопланктоном. Так присутствие большого количества фитопланктона, измеряемое через изменения в цвете океана, выступает индикатором потенциального присутствия рыбы.

http://oceancolor.gsfc.nasa.gov/ - портал Годдардовского Центра Космических полетов НАСА, посвященный данным по цвету океана от разных сенсоров
http://www.ioccg.org/sensors_ioccg.html - сайт Международной координационной группы исследований цвета океана, подробно рассматриваются датчики цвета океана, работавшие в прошлом, в настоящее время и проектируемые.

Космические исследования океана

На главную страницу семинара