ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 1, с. 103-106
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ ДЛЯ ЭКОЛОГИИ, ^^^^^^^^ МЕДИЦИНЫ, БИОЛОГИИ
УДК 551.46.08
МОБИЛЬНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОПЕРАТИВНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ВОДНЫХ АКВАТОРИЙ И ПРИВОДНОЙ АТМОСФЕРЫ
© 2014 г. И. Г. Нагорный*, **, П. А. Салюк***, А. Ю. Майор*, И. М. Дорошенков***
*Институт автоматики и процессов управления ДВО РАН Россия, 690041, Владивосток, ул. Радио, 5 **Дальневосточный федеральный университет Россия, 690950, Владивосток, ул. Суханова, 8 ***Тихоокеанский океанологический институт им. В.И. Ильичева ДВО РАН Россия, 690041, Владивосток, ул. Балтийская, 43 Поступила в редакцию 18.04.2013 г.
Комплекс позволяет проводить непрерывные измерения концентрации хлорофилла-а и растворенных органических веществ методом лазерной индуцированной флуоресценции, оценивать состояние фотосинтетической системы клеток фитопланктона, регистрировать показания газоанализатора СО2, датчиков солености, рН и температуры морской воды, измерителя солнечной освещенности. Мобильность комплекса обеспечивает возможность его работы на различных судах и в стационаре. Конфигурация комплекса может быть оперативно изменена под решаемую задачу за счет быстрого дополнения или замены отдельных приборов и датчиков комплекса, а также программного обеспечения, интегрирующего все приборы и данные в систему. Возможно использование обычного, устойчивого к вибрации лабораторного оборудования, поскольку корпус разработанного прибора обеспечивает защиту от воздействия морской среды. Приведены результаты натурных измерений, проведенных в заливе Петра Великого (Японское море) в 2012 г.
БО1: 10.7868/80032816214010182
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время активно развиваются методы оперативного мониторинга состояния морских экосистем [1—3], что связано с необходимостью решения как фундаментальных, так и прикладных задач исследования окружающей среды. Значительный интерес представляют изучение биопродуктивности морских вод, цикла обмена углерода, проведение экологического мониторинга и поиск полезных ископаемых.
Решение современных задач океанологии и рационального природопользования требует проведения комплексных исследований, результаты которых могут быть использованы совместно со спутниковыми данными [4, 5]. В последние годы получили широкое развитие методы измерений гидрологических и гидрооптических параметров морской воды погружными и проточными системами [2, 6—9]. Современные флуориметры, спектрометры и сканеры цвета морской поверхности позволяют исследовать состояние и видовой состав клеток фитопланктона, определять содержание, типы и источники растворенных органических веществ (р.о.в.) в морской воде. Кроме этого, разрабатываются in situ газоанализаторы СО2, О2 и метана, датчики основных параметров карбонатной системы, pH воды. Комплексное при-
менение этих методов позволяет решать широкий круг задач.
В данной работе описан мобильный малогабаритный водозащищенный инструментальный комплекс для проведения разносторонних океанологических исследований с прокачиваемой морской водой. Комплекс может быть использован на необорудованных для полноценных научных исследований маломерных судах, резиновых лодках и наземных базах с минимальными материальными затратами.
Основным прибором комплекса является лазерный флуориметр, позволяющий измерять интенсивность флуоресценции и определять эффективность работы фотосистемы клеток фитопланктона. Дополнительно используются стандартные измерители гидрологических и гидрохимических параметров. К известным аналогам комплекса относятся оборудованные морские контейнеры, используемые на больших судах, герметичные контейнеры БеггуБох [1], автономные буи АРГО [2], глайдеры [8] и погружные гидрологические зонды с биооптическими датчиками [6]. Отличие разработанной нами системы состоит в комплексном подходе: приборы установлены в едином водозащищенном мобильном блоке, позволяющем использо-
ОПИСАНИЕ МОБИЛЬНОГО КОМПЛЕКСА
Фотография разработанного комплекса при размещении его на маломерном судне приведена на рис. 1. Габариты прибора 60 х 60 х 60 см, его масса 40 кг, потребляемая мощность ~1 кВт, что позволяет использовать мобильные генераторы электричества. В состав комплекса входят: лазерный флуориметр, измеритель солнечной освещенности Licor Li-192, термосоленограф SeaBird SBE-45, измеритель pH морской воды, газоанализатор Licor Li-840, управляющий компьютер со специальным программным обеспечением. При использовании газообменной камеры [10] можно проводить измерения концентрации СО2, растворенного в воде. Характеристики окружающей среды, которые можно получить с использованием данного комплекса, приведены в таблице.
Используемое оборудование размещено во вла-гозащищенном боксе с принудительной вентиляцией. Бокс оснащен штуцерами для подачи забортной воды и разъемами для подключения питания и внешних устройств через порт USB. Наличие сетевого соединения позволяет использовать мобильный комплекс в режиме удаленного доступа.
Вода с помощью погружного насоса подается во флуориметр, термосоленограф и измеритель pH. Одновременно осуществляются забор и ана-
Характеристики окружающей среды, получаемые с помощью инструментального комплекса
Прибор Измеряемая характеристика Рассчитываемая характеристика
Датчик освещенности Licor Li-192 Спектр солнечной освещенности Освещенность, доступная для фотосинтеза, PAR, мкмоль/с/м2
Спектр флуоресценции морской воды при возбуждении зеленым и у.ф.-излучением /355(1), /532(1), комбинационное рассеяние (к.р.) воды Интенсивность флуоресценции 7^5^(1), ip3°2B(l), /^(1), 75з2а(1), к-р-в°ды Концентрация хлорофилла-а Схл-а(1) и р.о.в. Ср.о.в(1), мкг/л
Лазерный флуориметр Динамика спектра флуоресценции морской воды при возбуждении зеленым и у.ф.-излучением /355(1, А?), /532(1, А?), к.р.-воды Интенсивность флуоресценции хлорофил-ла-а при закрытых F0 и открытых Fm реакционных центрах клеток фитопланктона, к.р.-воды Потенциальная эффективность фотосинтеза F = (Fm - F0)/F0 Первичная продукция* РР(Схл-а, F, PAR), гС/м2/сут
Термосоленограф SeaBird SBE-45 Температура морской воды Т, °С Электропроводность морской воды С, См Соленость морской воды S, %% Плотность морской воды D, кг/м3
Газоанализатор СО2 Licor Li-840 Концентрация водяного пара, СО2 Концентрация СО2 в приводном воздухе Cco^ PPm Концентрация СО2 в воде CCO , PPm
Измеритель pH воды рН воды
* Совместно с данными датчика освещенности.
Рис. 1. Фотография мобильного инструментального комплекса при размещении его на маломерном судне.
вать различное оборудование для изучения состава прокачиваемой морской воды; для сбора и анализа результатов измерений используется единое программное обеспечение.
МОБИЛЬНЫИ КОМПЛЕКС ДЛЯ ОПЕРАТИВНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ
105
Сх
мкг/л
Ср.о.в., мкг/л - 1.5
2.2 1.8 1.4 1.0 0.6 0.2
T, °C F, отн. ед. 19.0Г 0.55
18.7 18.5 18.2 18.0
17.8
(a)
50
100
T, °C 22
21 20 19 18 17
S, %
150
32
31
30
Расстояние, км
PAR, мкмоль/с/м
(б)
2
1078
862 648 432 216
10 15 20 Время дня, ч
С
4.5 3.8 3.1 2.4 1.7 1.0
мкг/л Ср.о.в., мкг/л
(в)
10.06 10.07 10.08 10.09 Дата, месяц/день
PAR, мкмоль/с/м2 1080
864
648
432
216
0
Ссо2, мкг/л
T, °с
412 402 392 382 372 362
(г)
Сх
мкг/л 6.6
20 40
Расстояние, км
60
Рис. 2. Результаты измерений, полученные с помощью мобильного комплекса во время натурных испытаний: а — пространственный разрез гидрологических и биооптических параметров в заливе Петра Великого; б — проводимый в течение суток эксперимент по оценке состояния фотосинтетического аппарата клеток фитопланктона в бухте Витязь; в — суточные циклы функционирования фитопланктонных сообществ и производимых ими растворенных органических веществ в одной точке бухты Витязь; г — результаты сравнения содержания фитопланктона и концентрации СО2 в атмосфере в водах залива Петра Великого.
0
лиз воздуха в приповерхностном слое с помощью газоанализатора СО2. Показания флуориметра, термосоленографа, газоанализатора и измерителя солнечной освещенности сохраняются на жестком диске управляющего компьютера.
Флуориметр разработан в лаборатории "Лазерные методы исследования вещества" Института автоматики и процессов управления ДВО РАН на основе прибора, описанного в работе [11], с двумя существенными дополнениями: 1) для двухчастотного лазерного возбуждения установлен лазер Ultra CFR производства Big Sky Laser Technologies (USA) со второй (532 нм) и третьей (355 нм) гармониками излучения; 2) для "накачки" фотосинтетического аппарата клеток фитопланктона, при которой реакционные центры закрываются [9], применяется мощная вспышка, создаваемая светодиодами. Использование лазерного излучателя обусловлено следующими причинами: лазерное излучение позволяет инду-
цировать флуоресценцию р.о.в. зеленым излучением, что повышает чувствительность метода; одновременное использование зеленого и возбуждающих у.ф.-излучений позволяет более точно определять интенсивность флуоресценции хлоро-филла-а и р.о.в. в зонах стока рек и высокой биопродуктивности фитопланктона, а также исследовать процессы воспроизводства р.о.в. клетками фитопланктона [12—14]. Измерение интенсивности флуоресценции хлорофилла-а при открытых и закрытых реакционных центрах дает возможность оценить потенциальную эффективность фотосинтеза [9]. Регистрация спектров флуоресценции, выполняемая с разрешением 3 нм, позволяет оценивать интенсивность линий комбинационного рассеяния морской воды, интенсивности флуоресценции р.о.в., хлорофилла-а и других пигментов клеток фитопланктона.
С помощью измерителя солнечной освещенности определяется количество света, доступного для
фотосинтеза, что в совокупности с данными флуо-риметра позволяет оценить первичную продукцию, производимую клетками фитопланктона.
Термосоленограф необходим для непрерывных измерений основных гидрологических параметров морской воды — температуры и солености. Любые измерения в море требуют сопутствующих гидрологических измерений с целью анализа свойств морской воды и выделения районов с однородными гидрологическими характеристиками.
Измеритель рН морской воды является одним из стандарт
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.