ИЗВЕСТИЯ РАН. ФИЗИКА АТМОСФЕРЫ И ОКЕАНА, 2013, том 49, № 3, с. 336-343
УДК 551.468
О ВОЗМОЖНОСТЯХ РАДИОЛОКАЦИОННОЙ ДИАГНОСТИКИ ЗОН
ЭВТРОФИРОВАНИЯ ВОДОЕМОВ
© 2013 г. С. А. Ермаков1-3, И. А. Капустин1-3, Т. Н. Лазарева1, И. А. Сергиевская1-3, Н. В. Андриянова4
Институт прикладной физики РАН 603950 Нижний Новгород, ул. Ульянова, 46 2Нижегородский государственный университет 603950 Нижний Новгород, пр. Гагарина, 23 3Российский государственный гидрометеорологический университет 195196 Санкт-Петербург, Малоохтинский проспект, 98 4Нижегородский Центр по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды 603163 Нижний Новгород, ул. Бекетова, 10 E-mail: stas.ermakov@hydro.appl.sci-nnov.ru Поступила в редакцию 21.12.2011 г., после доработки 26.03.2012 г.
Выполнены комплексные экспериментальные исследования влияния фитопланктона на рассеяние водной поверхностью радиолокационных сигналов СВЧ-диапазона. Получены количественные данные о концентрации и групповом составе фитопланктона в Горьковском водохранилище в период его эвтрофирования. Установлено, что коэффициент затухания гравитационно-капиллярных волн возрастает с увеличением концентрации фитопланктона, причем рост коэффициента затухания гравитационно-капиллярных волн обусловлен увеличением как эффективной вязкости воды, так и величины упругости поверхностных пленок, связанных с фитопланктоном. Обнаружено, что интенсивность радиолокационного сигнала при неизменных метеоусловиях уменьшается в областях с повышенной концентрацией фитопланктона. Представлены результаты модельных расчетов контрастов в спектре ветровых гравитационно-капиллярных волн и интенсивности радиолокационного сигнала в зависимости от концентрации фитопланктона с использованием восстановленных значений эффективной вязкости воды и упругости пленок в зонах эвтрофирования, удовлетворительно описывающие данные наблюдений.
Ключевые слова: радиолокационное зондирование, морская поверхность, пленки, поверхностно-активные вещества, эвтрофирование водоемов.
DOI: 10.7868/S000235151303005X
ВВЕДЕНИЕ
Эвтрофирование внутренних водоемов (водохранилищ, озер, и пр.), а также мелководных морей и шельфовых зон океана представляет собой значительную угрозу экологии этих водоемов (см., например, [1]). Интенсивное "цветение" фитопланктона, в первую очередь сине-зеленых водорослей (цианобактерий), вызывает снижение прозрачности воды, уменьшение концентрации растворенного кислорода, резкое повышение уровня содержания токсинов в воде, усиление процессов заиливания водоемов. В результате возможны массовая гибель рыбы, нарушение нормальной работы водоочистных сооружений и непригодность использования воды в качестве питьевой и пр. В связи с этим мониторинг зон эвтрофирования приобретает особую актуальность. Возможности систем дистанционного зондирования, в том числе спутниковых, открывают ши-
рокие перспективы диагностики зон высокой биопродуктивности и их мониторинга [2, 3]. В настоящее время для этих целей широко используются спутниковые сканеры оптического, а также ИК-диапазонов, позволяющие определять концентрацию хлорофилла и растворенных органических веществ (см. [2—9] и цитированную литературу). Поскольку оптические системы имеют существенные ограничения в использовании по времени суток и состоянию облачности, весьма перспективным инструментом диагностики "зон цветения" могли бы стать радиолокаторы СВЧ-диапазона. Так, согласно проведенному, например, в [10, 11] анализу синхронных изображений морской поверхности, полученных оптическими сканерами и радиолокаторами с синтезированной апертурой, зоны интенсивного "цветения воды" могут проявляться на радиолокационных панорамах как области с пониженной интенсивно-
стью радиолокационного сигнала. Однако, насколько нам известно, количественные исследования зависимостей интенсивности радиолокационного сигнала от характеристик биомассы, в частности, от концентрации водорослей, не проводились. Кроме этого, сами физические механизмы проявления зон цветения на радиолокационных панорамах также оставались неизученными. Отметим, что проявления зон эвтрофирова-ния на радиолокационных панорамах акваторий часто весьма схожи с изображениями штилевых зон либо разливов нефтепродуктов на водной поверхности. Поэтому сопутствующим аспектом задачи дистанционной диагностики зон эвтрофи-рования является анализ возможностей различения этих зон и неоднородностей иной природы на радиолокационных панорамах.
Настоящая работа посвящена первому количественному исследованию эффекта влияния фитопланктона на характер радиолокационного рассеяния от взволнованной водной поверхности, а также анализу физических механизмов затухания гравитационно-капиллярных волн и соответственно механизмов подавления интенсивности радиолокационных сигналов в зонах интенсивного "цветения" водорослей.
АППАРАТУРА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТОВ
Исследования зон эвтрофирования проводились на Горьковском водохранилище в период интенсивного цветения фитопланктона в июле-августе 2009 г. Для измерения параметров волнения, течений и приводного ветра использовалась следующая аппаратура:
— доплеровский радиолокатор СВЧ-диапазона (рабочая длина волны 3.2 см),
— ультразвуковой измеритель направления и скорости ветра "WindSonic",
— акустический профилограф скоростей течений с эхолотом (ADCP Workhorse Sentinel 600 kHz),
— GPS-приемники,
— оборудование для отбора проб пленок и измерения их физических характеристик, а также для анализа видового состава фитопланктона и его концентрации.
Радиолокатор закреплялся на поворотном устройстве и устанавливался на судне на высоте 5.5 м от воды. Углы падения зондирующего СВЧ излучения на водную поверхность составляли 65°—70°, измерения характеристик СВЧ-излуче-ния, рассеянного водной поверхностью, проводились при движении судна.
Измерения характеристик ветра выполнялись с судна с помощью ультразвукового анемометра, позволяющего регистрировать горизонтальные компоненты скорости ветра с частотой до 4 Гц. Анемометр устанавливался на мачте на высоте 6.5 м над уровнем воды.
ADCP, позволяющий измерять вертикальные профили трех компонент скорости течения в воде и интенсивности акустического сигнала обратного рассеяния, устанавливался на моторной лодке.
Для изучения характеристик фитопланктона (концентрации и группового состава водорослей) производился отбор объемных проб воды в различных частях водохранилища. Объемные пробы брались с моторной лодки из верхнего слоя воды толщиной 10—20 см. Исследование проб проводилось в лабораторных условиях в Нижегородском центре по гидрометеорологии и мониторингу окружающей среды (ЦГМС-Р) по методике, изложенной в [12]. Определение группового состава водорослей осуществлялось методом мик-роскопирования на микроскопе Laboval-2a-fL при 400-х кратном увеличении. Для подсчета общей численности и концентрации фитопланктона использовалась камера Нажотта.
Взятие проб биогенных пленок на водной поверхности производилось квазисинхронно с взятием объемных проб с моторной лодки с использованием сеточной методики и с последующей реконструкцией пленок в лабораторных условиях, исследования затухания гравитационно-капиллярных волн на образцах пленок и на воде с фитопланктоном проводилось на основе метода параметрически возбуждаемых волн [13—15].
Измерения интенсивности радиолокационного сигнала проводились с судна, двигающегося параллельным курсом с лодкой. Скорости судна и лодки выдерживались приблизительно одинаковыми, поперечный интервал между судном и лодкой составлял 30—50 м. Положения судна и лодки, их скорость и направление движения, а также координаты точек, в которых брались пробы, определялись с использованием приемников системы глобального позиционирования (GPS).
На рис. 1 схематически показана южная часть акватории водохранилища, в которой проводились наблюдения, здесь же показаны траектории движения судна и моторной лодки, места взятия объемных и поверхностных проб воды. Как уже отмечалось, пленочные пробы брались синхронно с объемными, исключение составила сеточная проба № 4—5, взятая между объемными пробами № 4 и N° 5 (см. рис. 1).
КОНЦЕНТРАЦИЯ И ГРУППОВОЙ СОСТАВ ФИТОПЛАНКТОНА
Распределение концентрации фитопланктона в воде характеризуется значительной пространственной неоднородностью и зависит от скорости ветра, течений и интенсивности ветрового волнения. При очень слабом ветре (скорости ветра порядка 1 м/с) биомасса концентрируется преимущественно в верхнем слое воды толщиной десятки см, образуя, в зависимости от концентрации фитопланктона, пятнистые структуры либо сплошной поверхностный слой (см. рис. 2).
Рис. 1. Схема акватории южной части водохранилища и траектории движения судна и катера в экспериментах 29.07.2009 г. и 14.08.2009 г. Цифрами отмечены места взятия объемных проб воды.
При скоростях ветра 2—3 м/с и более, фитопланктон распределяется в верхнем слое воды толщиной порядка 1—3 м. Толщину слоя, в котором сосредоточена биомасса, можно оценить по данным измерений сигнала обратного акустического рассеяния с использованием эхолота ADCP. Различие в уровнях интенсивности этого сигнала в приповерхностных слоях с высокой концентрацией фитопланктона и в более глубоких слоях относительно чистой воды может быть порядка 10 дБ и выше (см. рис. 3).
Данные о концентрации фитопланктона и его групповом составе, полученные в ходе анализа объемных проб, взятых из верхнего слоя воды (наблюдения 29.07.2009 и 14.08.2009), представлены в табл. 1 и 2. Скорость ветра составляла в среднем 4 м/с в экспериментах 29.07.2009 и около 5 м/с в экспериментах 14.08.2009.
Из анализа группового состава фитопланктона в пробах следует, что сине-зеленые водоросли дают значительный вклад в суммарную концентрацию биомассы, а ко второй половине периода "цветения" этот вклад становится доминирующим. Различия в концентрациях фитопланктона в пробах указывают на значительную неоднородность ее распределения по акватории водохранилища.
ВЛИЯНИЕ ФИТОПЛАНКТОНА НА ЗАТУХАНИЕ КОРОТКИХ ПОВЕРХНОСТНЫХ ВОЛН
Для исследования возможности обнаружения зон с повышенным содержанием фитопланктона радиол
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.