научная статья по теме ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ МИНЕРАЛЬНОЙ ВЗВЕСИ И ВЗВЕШЕННОГО ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА ПО ИХ СПЕКТРАЛЬНОМУ ПОГЛОЩЕНИЮ Геофизика

Текст научной статьи на тему «ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ МИНЕРАЛЬНОЙ ВЗВЕСИ И ВЗВЕШЕННОГО ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА ПО ИХ СПЕКТРАЛЬНОМУ ПОГЛОЩЕНИЮ»

ОКЕАНОЛОГИЯ, 2014, том 54, № 5, с. 704- 711

МЕТОДЫ И ПРИБОРЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

УДК 551.463.8

ОПРЕДЕЛЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ МИНЕРАЛЬНОЙ ВЗВЕСИ И ВЗВЕШЕННОГО ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА ПО ИХ СПЕКТРАЛЬНОМУ ПОГЛОЩЕНИЮ

© 2014 г. Б. В. Коновалов, М. Д. Кравчишина, Н. А. Беляев, А. Н. Новигатский

Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва e-mail: bvkonovalov@yandex.ru Поступила в редакцию 25.12.2012 г.

Предложена методика для определения концентраций основных компонентов взвеси морской воды: взвешенных минеральных веществ (ВМВ) — Свмв и взвешенных органических веществ (ВОВ) — Свов. Значения Свмв и Свов рассчитываются по данным оптических измерений — спектральным показателям поглощения света авов(440) и авмв(750) с использованием эмпирических уравнений. Уравнения получены в результате сопоставления концентраций компонентов взвеси, измеренных прямым (весовым) методом, и спектральных значений оптической плотности взвеси, осажденной на мембранные фильтры. Материалы, использованные в работе, являются типичными как для прибрежных вод внутренних и окраинных морей, так и для вод открытых океанических и охватывают диапазон концентраций Свмв почти в три, а Свов — в два десятичных порядка.

DOI: 10.7868/S0030157414040066

Концентрации основных компонентов морской взвеси (органического вещества, включающего в себя фитопланктон и детрит, и минерального вещества), а также их соотношения относятся к числу показателей, характеризующих состояние морских экосистем. Прямые методы определения любого из этих компонентов предполагают значительные затраты труда и времени, что осложняет проведение массовых анализов при мониторинге пространственно-временной изменчивости их содержания.

В нашей работе показано, что существует значимая корреляция между величинами спектральных показателей поглощения света а(Х), относящихся к органической составляющей взвеси (фитопланктона и детрита) и к минеральным частицам, с одной стороны, и их массовыми концентрациями — с другой. Уравнения, полученные при аппроксимации указанных связей, вполне могут быть использованы для экспрессного и достаточно корректного расчета концентраций компонентов взвеси в единицах массы по данным абсорбционного спектрального анализа.

МАТЕРИАЛ И МЕТОДИКА

Материалом исследований послужили данные, полученные в семи морских экспедициях: в Атлантический океан (11-й рейс НИС "Акад. Иоффе", октябрь—ноябрь 2002 г.), в Южный океан (19-й рейс НИС "Акад. Федоров", апрель—май 2003 г.), в Белое море (71-й рейс НИС "Профессор Штокман", ав-

густ 2005 г.), в Черное море (119-й рейс НИС "Акванавт", май 2007 г.), в Аральское море (прибрежно-морская экспедиция, июнь 2008 г.) и в Карское море (54- и 59-й рейсы НИС "Акад. Мстислав Келдыш", сентябрь—октябрь 2007 г. и сентябрь 2011 г.).

Пробы (общим числом 298) были отобраны с поверхности на станциях (батометром) или ведром на ходу судна и профильтрованы на фильтры диаметром 47 мм двух типов — стекловолокнистый марки Whatman GF/F и предварительно взвешенный мембранный ядерный фильтр того же диаметра с размерами пор 0.45 мкм производства Объединенного Института Ядерных Исследований г. Дубна.

Для каждой точки отбора фильтрование (с использованием полипропиленовых фильтродержа-телей "Advantec — MFS" и "Sartorius") проводилось на два стекловолокнистых и 2—4 ядерных фильтра. Объем пробы зависел от концентрации взвеси и менялся для фильтров GF/F от 0.2 л в мутных прибрежных водах до 15 л в открытых, а для ядерных — от одного до пяти литров. Перепад давления при фильтровании на фильтры GF/F составлял 0.2 атм, на ядерные — 0.4 атм. Один из фильтров GF/F использовался для определения авзв(^), т.е. суммарного спектра показателя поглощения света всей осажденной взвесью и ее компонентами. Другой — для определения содержания органического вещества.

Ядерные фильтры после фильтрации высушивались в чашках Петри при t = 50°C и повторно взве-

Рис. 1. Схематическое изображение спектров оптической плотности взвеси до — Авзв(Х) и после — Адепигм(Х) депигментации осадка на мембранном фильтре.

шивались в условиях береговой лаборатории с точностью до 0.01 мг. Разница весов и объем профильтрованной воды использовались для расчета концентраций взвеси в воде.

Определение концентрации взвешенного углерода (Своу) выполнялось на анализаторе ТОС-\СрИ фирмы ВЫтаёги с приставкой 88М-5000Л [1]. Погрешность прибора 1%. Воспроизводимость результатов анализов ±5%. Перед началом серии анализов проводилась калибровка прибора по трем типам стандартов образцов.

Концентрация взвешенного органического вещества (Свов) рассчитывалась по формуле [6]:

Свов 2Своу. (!)

Величины показателей поглощения света рассчитывались по спектрам оптической плотности в видимой области (400—750 нм) — D(^), которые регистрировались на двухлучевом спектрофотометре СФ-14, снабженным интегрирующей сферой. При фотометрировании фильтр с осажденной взвесью, смоченный фильтрованной морской водой, располагался в центре интегрирующей сферы перпендикулярно лучу в измерительном канале, на пути луча в канале сравнения размещался влажный чистый фильтр. При такой схеме фотометрирования исключалось влияние индикатрисы рассеяния света образцом на величину оптической плотности [5].

Определение тех спектральных показателей поглощения, с которыми сопоставлялись концентрации минеральной и органической взвеси, является

частью методики комплексного анализа состава взвеси с помощью оптических измерений. При таком анализе предполагается, что спектральное значение оптической плотности на длине волны Хг — Авзв(^() в спектре оптической плотности взвеси можно представить в виде суммы парциальных спектральных значений, относящихся к ее трем основным компонентам, упомянутым выше (рис. 1). Дополнительный интерес при этом представляют также и две другие суммы спектральных значений, одна из которых относится ко всему взвешенному органическому веществу, состоящему в основном из фитопланктона и детрита

^вов(^;) — АфитсХ^г) + Ад

А),

другая — к депигментированной взвеси, в которой отсутствуют пигменты фитопланктона и в состав которой входят детрит, минеральная взвесь и бесцветные остатки фитопланктона

Адепигм(^ г) Адетр(^ г) + Авмв(^ г).

Депигментация фитопланктона проводится либо с помощью его обесцвечивания (воздействием УФ-излучения, пергидроля, гипохлорита натрия и др.), либо экстрагированием его пигментов одним из растворителей (метанолом, ацетоном и др.). Недостатком любого из способов депигментации является невозможность в общем случае проконтролировать ее скорость и вследствие этого установить тот момент, когда ее надо остановить. Ограничить продолжительность депигментации важно потому, что одновременно с удалением пигментов фито-

планктона происходит обесцвечивание легкоразру-шаемой фракции органического детрита, часть которого состоит, в частности, из свежеотмерших клеток фитопланктона, также подверженных воздействию веществ, производящих депигментацию. Степень ее незавершенности легко устанавливается по остаткам красного максимума хлорофилла. Много сложнее выявить обесцвечен-ность детрита к моменту полного удаления пигментов фитопланктона. Очевидно поэтому, что контроль процесса депигментации требует немалых затрат труда и времени.

Описание методики комплексного анализа состава морской взвеси с помощью оптических измерений, алгоритмы расчета показателей поглощения света каждым из ее компонентов и обзор результатов такого анализа для разных типов морских вод содержатся в монографии [7].

Особенность нашей работы состояла в том, что

для анализа состава взвеси (определения ее минеральной и органической составляющей) были использованы величины всего двух спектральных показателей поглощения света — авов(440) и авмв(750). При этом для их расчета требовалось зарегистрировать всего один спектр оптической плотности — Д,з1Д) и исключалась необходимость проводить депигментацию фитопланктона. Спектр поглощения взвешенным минеральным веществом, по нашему допущению и в соответствии с данными из работы [8], является неселективным.

Указанные длины волн (440 и 750 нм) были выбраны потому, что на первой из них расположен главный максимум поглощения света всей взвесью, а на второй оптическая плотность определяется только содержанием во взвеси частиц минерального происхождения, т.к. ни фитопланктон, ни детрит на этой длине волны света практически не поглощают [2].

Для расчета величин спектральных показателей поглощения света органической и минеральной составляющих взвеси — авов(440) и авмв(750) м-1 с зарегистрированных спектров снимались значения Д440) и Д750).

Расчеты проводились с использованием эмпирической формулы из работы [3], представляющей собой функцию пяти переменных

а(Х) = х(^) = /с№), к„ р, 5ф, Кпр], (2)

где р — коэффициент отражения чистого фильтра, — площадь фильтра (в см-2), Упр — объем пробы (в дм—3), х — устаревшее обозначение показателя поглощения, использованное в упомянутой работе.

Были рассчитаны показатели поглощения света всей взвесью — авзв(^г), органическим веществом — авов(^г) и минеральной составляющей — авмв(^г):

«взв ) = «фито (Х-) + «детр ) + + «вмв(^) = «вов(^) + «вмв(^) ,

где

(3)

Оов(^) = /> [^вов(^г), К

авмв(^г) = /0 [Дшв(^), К р, ^ф, ^пр].

Показатели афиго(^г) и адетр(^г), как об этом уже говорилось, по отдельности не определялись.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Определение концентрации взвешенного минерального вещества. Для выявления связи между спектральными показателями поглощения света взвешенным минеральным веществом и его концентрациями были построены графики в линейных и логарифмических координатах.

В линейных координатах линии регрессии были аппроксимированы следующими выражениями:

СвМв = 0.11 + 71 авмв(750) (г = 0.97) (4)

и

Свмв = 0.37 + 30 [авмв(750)] + 122 Кмв(750)]2. (5)

На рис. 2а показаны восемь графиков, которые иллюстрируют наличие связи между логарифмами названных величин. График регрессии, относящийся ко всему массиву данных, описывается следующим уравнением (в скобках указаны величины стандартных отклонений, характеризующие разброс значений для различных акваторий):

1в( Свмв

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком