ОКЕАНОЛОГИЯ, 2015, том 55, № 3, с. 366-378
= ФИЗИКА МОРЯ =
УДК 551.465
ДЛИНА ВОЛНЫ МАКСИМУМА СПЕКТРА КОЭФФИЦИЕНТА ЯРКОСТИ МОРЯ КАК ДИСТАНЦИОННЫЙ ПОКАЗАТЕЛЬ ВОДООБМЕНА МЕЖДУ ЭКОЛОГИЧЕСКИ РАЗЛИЧНЫМИ АКВАТОРИЯМИ
© 2015 г. Г. С. Карабашев, М. А. Евдошенко
Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва e-mail: genkar@mail.ru Поступила в редакцию 18.07.2014 г., после доработки 01.10.2014 г.
Исследуется применимость длины волны ^max максимума спектра коэффициента яркости Rrs морской поверхности как дистанционного индикатора водообмена в проливах, прибрежьях и других переходных зонах. Величина ^max рассчитывалась по данным каналов сканера MODIS-Aqua на 469, 488, 531, 547 и 555 нм посредством сплайн-интерполяции для пикселей изображений пролива Скагеррак и Северного Каспия, выбранных в качестве тест-полигонов с интенсивным водообменом. Распределения Rrs(555) и индекса цвета Q = Rrs(555)/Rrs(488), построенные по тем же данным, использовались для сравнения ^max с освоенными индикаторами. Показано, что новый индикатор ^max, будучи показателем цветности природных вод, предпочтителен там, где водообмен сопровождается перераспределением окрашенных растворенных органических веществ естественного происхождения. В приустьевых регионах ^max может быть полезен как дистанционный индикатор дефицита солености.
DOI: 10.7868/S0030157415030065
1. ВВЕДЕНИЕ
Определения коэффициентов яркости Rrs поверхности моря давно используются при изучении водообмена между экологически различными акваториями [10, 17, 21] благодаря зависимости спек-трально-яркостных контрастов их изображений от состава и концентрации оптически значимых примесей в природных водах. Такие определения достигли подлинной массовости благодаря спутниковым сканерам цвета океана (СЦО), начиная с первого из них CZCS (Coastal Zone Color Scanner, 1978—1984) вплоть до ныне действующих Aqua- и Terra-MODIS (Moderate-resolution Imaging Spec-troradiometer).
Различия вод по составу оптически значимых примесей отражает зависимость (спектр) коэффициента яркости моря Rrs от длины волны солнечного излучения X. Рис. 1 дает представление об изменении формы спектра Rrs(X) во всем диапазоне океанологических ситуаций от внутренних морей и прибрежий до открытого океана. Здесь очевидна главная тенденция: при переходе из акваторий, богатых светопоглощающими и свето-рассеивающими примесями (кривые 5 и 7) к открытому океану (кривые 4 и 6) спектр смещается в коротковолновую область (уменьшается длина волны максимума спектра Xmax), усиливается его коротковолновое крыло, и в прозрачных водах открытого океана Xmax оказывется настолько смещенной, что в видимой области спектр Rrs(X) выглядит
как кривая, монотонно убывающая с длиной волны излучения до уровня шумов на 550—600 нм.
Все СЦО, обеспечивающие получение массовых синоптичных изображений морей и океанов, строятся как мультиспектральные фотометры для регистрации Rrs в 6—9 участках видимого спектра, что явно недостаточно для достоверного восстановления Rrs(X) во всем их разнообразии. Использование индексов цвета, т.е. отношений Rrs разных спектральных каналов, решает проблему освоения спектральной информации лишь частично. Недавно появились гиперспектральные СЦО, например, HICO (Hyperspectral Imager for the Coastal Ocean, или гиперспектральный визуализатор для прибрежной зоны океана), но их гораздо более высокие спектральное и пространственное разрешения существенно затрудняют достижение синоптич-ности наблюдений, доступной мультиспектраль-ным СЦО. Последнее стимулирует попытки совершенствования обработки и анализа данных мультиспектральных СЦО для повышения информативности спутникового зондирования океана.
Настоящая работа принадлежит этому направлению. Она оказалась возможной благодаря появлению дополнительных спектральных каналов СЦО Aqua-MODIS на длинах волн 469, 488, 531, 547, 555 нм против прежних 488, 531 и 551 нм (рис. 1). Данные новых каналов за все время эксплуатации этого СЦО с 2002 г. доступны на портале NASA после репроцессинга 2009—2010 гг. и принадлежат той части видимой области, к которой относятся спек-
тры Rrs(X), промежуточные между спектрами вод, сильно- и слабо-поглощающими солнечное излучение. Все это делает целесообразным оценку длины волны максимума Xmax спектра Rrs(X) путем интерполяции спектральных яркостей 469—555 нм каждого элемента изображения и использование оценок Xmax в качестве диагностического признака. Он был бы равноценен уже освоенным продуктам СЦО по пространственно-временному разрешению, представляя самостоятельную ценность как характеристика цветности морских акваторий.
В отличие от Rrs и индексов цвета, Xmax является физической характеристикой цветности излучения. Форма спектра Rrs(X) определяется отношением b(X)/(b(X) + a(X)), где b(X) — спектр коэффициента рассеяния и a(X) — спектр коэффициента поглощения света [19]. Рассеяние слабо зависит от длины волны излучения и почти не влияет на форму Rrs(k), если в воде преобладают частицы с поперечником d > X, но оно быстро растет с уменьшением X там, где доминируют мелкие неоднородности показателя преломления, т.е. d < X [14].
Спектр поглощения обычно представляют в виде суммы a(X) = aw(X) + aCDOM(X) + aphyt(X), слагаемые которой суть поглощения света собственно водой (w), природными окрашенными растворенными органическими веществами (ОРОВ или CDOM (Colored Dissolved Organic Matter) в международной нотации) и пигментами фитопланктона (phyt). Поглощение главного из пигментов — хлорофилла — характеризуется коротковолновой (Xmax ~ 440 нм) и длинноволновой (Xmax ~ 678 нм) полосами. Поскольку aphyt(X) фигурирует в знаменателе, поглощение пигментов должно проявляться в спектре Rrs(X) в виде минимумов, приуроченных к Xmax полос поглощения хлорофилла. Однако спектры с такими минимумами наблюдаются крайне редко, и потому пигментная составляющая поглощения не представляет интереса при обсуждении постоянно действующих факторов изменчивости формы Rrs(X).
Составляющая aw(X) является собственным свойством воды, растет с длиной волны излучения, практически неизменна во времени и пространстве и служит длинноволновым пределом вариаций Rrs за счет изменчивости светопоглощающих примесей, начиная с красной области сектра. Напротив, спектр aCDOM(X) минимален в длинноволновой области и экспоненциально растет с уменьшением длины волны [14]. В результате минимум суммы aw(X) + aCDOM(X) ("окно прозрачности") смещается к красной границе спектра с ростом содержания окрашенной органики, пока ее поглощение превосходит или сравнимо с aw(X). Уменьшение концентрации CDOM способствует росту вклада светорассеяния на мелкой взвеси в коротковолновое крыло спектра Rrs(X) и смещению "окна пррозрачности" к границе между ультрафиолетовым (УФ) и видимым
100R/Rmax, % 100
75
50
25
0
350 400 450 500 550 600 650 700 750 Длина волны, нм
Рис. 1. Спектры Rrs(X), нормированные на максимум, по данным измерений с помощью спектрора-диометров (1—5) и численного моделирования (6, 7). 1, 2 — восток и центр Черного моря соответственно, 3 — Эгейское море [2]; 4 — Северная Атлантика, 68°10' з.д., 39°20' с.ш. [8]; 5 - Балтийское море [9]; 6и 7 — образцы спектров вод 1-го (Case 1, открытый океан) и 2-го (Case 2, прибрежье) типов, рассчитанные с помощью численной модели переноса солнечного излучения в море "Hydrolight" с использованием соответствующих значений характеристик водной среды [19]. Стрелки — номинальные длины волн части каналов СЦО MODIS-Aqua.
излучением. Положения максимумов спектров Лх(Х) 6и 7на рис. 1 в точности соответствует положению минимумов суммарного поглощения на графиках рис. 4 в [19], представляющих вклады составляющих морской воды, использованные при моделировании этих спектров.
Очевидно, форма Лз(Х) контролируется главным образом концентрацией СЭОМ и содержанием и размерным спектром светорассеивающей взвеси. Исследование состава взвешенных частиц в 241 пробе воды, взятых на севере пролива Ла-Манш, юго-западе Балтийского моря, юге Северного моря, юге и севере западной части Средиземного моря, а также в Атлантике к западу от Иберийского полуострова выявило слабую (слабее, чем Х-1) спектральную селективность Ь(Х) в верхнем слое обследованных акваторий [6]. Этот результат согласуется с представлениями о малости спектральной селективности светорассеяния на акваториях с высоким и умеренным содержанием терригенной и биогеннной взвеси [14].
Известно также, что в водах, бедных такой взвесью (олиготрофные акватории и глубинные слои), селективность светорассеяния приближается к Х-4 в силу закономерностей светорассения на оптически мелких частицах и флуктуациях плотности воды [14]. Таким водам свойственны также предельно низкие концентрации СЭОМ. Оба фактора способствуют смещению максимума ]Ьы(Х) в сине-фиолетовую и ближнюю УФ области спектра. Примером тому служит спектр 4, полученный на периферии Саргассова моря (рис. 1).
Таким образом, группа уплотненных спектральных каналов СЦО МОЭК-Адиа занимает часть видимого спектра, на которую приходится Хтах вод с умеренным и высоким содержанием оптически значимых примесей. В этих водах Хтах контролируется соотношением аж(Х) и аСоОМ(Х) вне связи со светорассеянием вследствие его слабой спектральной селективности, свойственной таким водам. Опираясь на определения спектров Лх(Х) в Черном море посредством судового спектрорадио-метра, мы убедились в том, что интерполяция Лх(469)-Лх(555) кубическими сплайнами, известная хорошими аппроксимативными свойствами [1], позволяет находить интервальные оценки Хтах для каждого элемента изображения при ширине интервала 10-15 нм. Это дает возможность строить карты Хтах в 6-8 градациях, достаточных для визуального сравнения распределений Хтах с распределениями традиционных океанологических характеристик. Первый опыт реализации такого подхода был получен на Черном море и позволил обнаружить неизвестную ранее сезонность оценок Хтах [5].
Цель настоящей работы состоит в проверке информативности предлагаемых спутниковых определений Хтах в океанологически различных регионах интенсивного водообмена по сравнению с и
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.