Метод и аппаратурные комплексы для исследования воздействия атмосферного аэрозоля на биооптические параметры морской воды

Оптические методы исследования океана и атмосферы (как активные, так и пассивные) интенсивно используются, в настоящее время, для решения широкого круга экологических задач [1−4]. Технологии, основанные на оптических принципах, позволяют исследовать не только природные процессы, протекающие в различных пространственных и временных масштабах, но и осуществлять мониторинг антропогенных воздействий на океан и атмосферу [5]. Особенности взаимодействия оптического излучения с веществом, с одной стороны, позволяют получать данные о среде (или объекте исследования) на молекулярном уровне, а с другой стороны, в силу своей оперативности и высокой информативности, проводить такие измерения на больших пространственно — временных масштабах.

В настоящее время наиболее остро стоит проблема изучения воздействия климатических изменений, наблюдающихся на планете, на морские экосистемы. Базисом всех морских экосистем являются фитопланктонные сообщества и любые изменения в их темпах развития влияют на процессы жизнедеятельности морских экосистем в целом. Важность решения этой проблемы состоит в том, что фитопланктон играет ключевую роль в создании условий жизни на планете: в насыщении атмосферы кислородом, поглощении углекислого газа и производстве органического вещества в океане. Климатические изменения, воздействуют на функционирование фитопланктонных сообществ и на состояние фотосинтезирующей системы клеток фитопланктона. Для исследования результатов этих воздействий необходимы как технические средства исследований самих процессов, протекающих в климатических и синоптических масштабах в атмосфере и океане, так и методы, позволяющие определять состояние фотосинтезирующей системы клеток фитопланктона.

Использование пассивных и активных оптических методов, как правило, подразумевает измерение амплитудных, спектральных и временных характеристик рассеянного или поглощённого излучения. Для получения необходимой информации о среде и тех процессах, которые в ней протекают, необходимо реализовывать высокое временное, спектральное разрешение прибора и проводить регистрацию слабых световых потоков.

Пассивные методы измерения более разработаны к настоящему времени и реализованы уже в спутниковой аппаратуре. В течении более чем двадцати лет проводится, измерение концентрации хлорофилла «А» в верхнем слое океана с использованием сканеров цвета морской поверхности С2С8, SeaWiFS и МСЮК. Эти данные позволяют приступать к исследованиям воздействия климатических изменений на планете на фитопланктонные сообщества. Однако, в большинстве случаев, при использовании пассивных методов зондирования не удается реализовать приемлемое отношение сигнал/шум, поэтому большее предпочтение отдается методам активной лазерной спектроскопии.

Методы активной лазерной спектроскопии отличаются типом исследуемого резонанса, характером оптического отклика среды, а также способом зондирования и измеряемым параметром (интенсивность, фаза, поляризация). Активная лазерная спектроскопия поглощения исследует оптический резонанс среды, проявляющийся в одноили многофотонном поглощении светаактивная лазерная спектроскопия рассеяния — резонанс, проявляющийся в рассеянии света (комбинационном, рэлеевском, Мандельштама — Бриллюэна, гиперкомбинационном, гиперрэлеевском и т. п.). Оптический отклик среды на воздействие волн накачки и зондирующего излучения может быть когерентным (связанным с наведенной нелинейной оптической поляризацией среды) или некогерентным (связанным с оптически-индуцированным возмущением населенностей уровней энергии), соответственно различают когерентную и некогерентную активную лазерную спектроскопию. Активная лазерная спектроскопия может быть стационарной или нестационарной в зависимости от того, исследуется установившийся (стационарный) или неустановившийся (переходный, нестационарный) оптический отклик среды. В последнем случае для возбуждения и зондирования среды используются короткие лазерные импульсы, длительность которых меньше характерных времен установления и релаксации исследуемых возбужденных состояний среды.

В зависимости от всех этих параметров, выбирается оптическая схема системы детектирования, а также выбираются схемотехнические решения для системы регистрации и обработки.

В случае лидарного зондирования реализуется схема при которой происходит дистанционное измерение параметров среды и динамики их изменения. При регистрации сигналов упругого рассеяния (рассеяния Релея и Ми) в атмосфере или океане, как правило, используется аналоговый режим регистрации сигналов с фотоприёмников [6]. Для детектирования более слабых сигналов (резонансного рассеяния, неупругого рассеяния или сигналов упругого рассеяния в коротких временных интервалах) применяется метод счёта отдельных фотоэлектронов [7−10].

Разработка новых методов исследования окружающей среды с использованием активной лазерной спектроскопии, предполагает сочетание методов детектирования слабых световых сигналов и высокого спектрального разрешения, как в случае лазерной индуцированной флуоресценции (ЛИФ), лазерной искровой спектроскопии (ЛИС) [11]. Несмотря на наличие аналого-цифровых преобразователей с высоким временным разрешением (до 30нс) и счётчиков фотонов (до 10нс), использование этих технологий во многих задачах, предполагает разработку новых методов и технических средств детектирования световых сигналов, обеспечивающих высокие чувствительность, спектральное и временное разрешение.

Технологам активного зондирования находят широкое применение, в задачах экологического мониторинга атмосферы и водных сред. Так лидарные системы используются для контроля над аэрозольными загрязнениями атмосферы, например при мониторинге дымовых шлейфов [12,13] или для исследования переноса аэрозоля в атмосфере и на морских акваториях во время песчаных бурь [14,15]. Получают развитие лидарные системы для контроля качества воды с использованием методов лазерной индуцированной флуоресценции и лазерной искровой спектроскопии. Исследование спектров лазерной индуцированной флуоресценции (ЛИФ) позволяют проводить исследование нефтяных загрязнений [5,16−19]. Измерение параметров спектров ЛИФ даёт возможность определить толщину нефтяной плёнки и идентифицировать тип нефтяного загрязнения [20]. Очень важно в этой связи проведение исследований процессов деградации растворённого органического вещества в водной среде. Недавние работы [21] показали, что исследуя временную динамику спектров ЛИФ, возможно получить количественные параметры процессов деградации органического вещества. Также, важной экологической задачей является проведение оперативного анализа элементного состава водных сред. Для решения этой задачи хорошо подходит метод лазерноиндуцированной спектроскопии [2225].

Во всех методиках измерений, использующих оптический диапазон длин волн, предполагается регистрация световых потоков. Как правило, в активных (лидарных) методах зондирования приходится иметь дело: во первых, с регистрацией слабых световых потоков, когда регистрируются сигналы обратного рассеяния лазерного излучения с больших расстояния от источника излучения, или при регистрации сигналов неупругого рассеяния (например комбинационного рассеяния от атмосферных газов или воды) — во вторых, с регистрацией оптических сигналов с высоким временным разрешением, которое необходимо для обеспечения соответствующего пространственного разрешения в третьих, с необходимостью регистрации спектрального состава с высоким спектральным разрешением.

Поставленные проблемы решаются посредством использования в регистрирующей аппаратуре электронных, электровакуумных и оптоэлектронных элементов с высоким коэффициентом усиления и низкими собственными шумами. А также, применением схемотехнических решений позволяющих осуществить предварительную обработку полученной информации, а именно: рационально распределить и упаковать данные, отсечь не относящиеся к предмету исследования сигналы, повысить отношение сигнала к шуму. Значительную роль играют алгоритмы и методы обработки информации полученной такими высокочувствительными системами [26−31].

Однако, ряд задач, связанных с использованием лазерных спектроскопических методов в лидарных схемах в ЛИФ и ЛИС спектрометрах требуют своего решения.

Целью настоящей работы является:

Применение оперативных оптических методов и разработка аппаратурного комплекса для исследования воздействия атмосферного континентального аэрозоля на биооптические параметры морской воды.

В данной работе поставлены следующие задачи:

1. Усовершенствовать метод, позволяющий проводить одновременные измерения оптической толщины атмосферного аэрозоля над морскими акваториями и биооптических параметров морской воды в фотическом слое океана.

Метод должен обеспечивать комплексные исследования с использованием лидарного зондирования аэрозоля и лазерной флуорометрии морской воды, что позволит произвести количественные измерения воздействия атмосферного аэрозоля на биооптические параметры морской воды.

Известно, что континентальный аэрозоль, попадая в атмосферу с континента (в результате пылевых бурь, извержений вулканов и т. д.) локализуется на высотах соответствующих особенностям высотного распределения температуры, где может находиться довольно долго. В дальнейшем, аэрозольные массы, находящиеся на резких градиентах температур, могут переноситься на далекие расстояния. В процессе переноса часть аэрозоля выпадает в океан.

Реакция фитопланктона на выпадение минеральных веществ из атмосферного аэрозоля, зависит, прежде всего, от тех условий, в которых происходит развитие клеток, от стадии их развития и от видового состава.

Для того чтобы достоверно отследить зоны выпадения атмосферного аэрозоля в акватории морей, а также воздействие частиц аэрозоля на состояние фитопланктонных сообществ, необходимо фиксировать с большим пространственным и временным разрешением изменение оптической толщины атмосферы и последующее изменение биооптических параметров морской воды, что требует разработки специальной исследовательской аппаратуры.

2. Провести исследования и разработать приборный комплекс регистрации слабых световых потоков обратно рассеянного от атмосферных аэрозолей излучения в режиме счета фотонов, при лазерном зондировании тропои стратосферы.

Использование лидарного зондирования позволяет оперативно проводить измерение высотного распределения аэрозоля с достаточно высоким пространственновременным разрешением. Для того, чтобы корректно зарегистрировать весь объем информации получаемой лидаром, необходимо наличие высокочувствительных быстродействующих систем регистрации. Большинство систем регистрации лидаров, не позволяют производить непрерывные измерения в большом диапазоне высот по всей трассе зондирования, либо имеют недостаточное пространственновременное разрешение.

Специфика поставленной задачи, требует разработки системы регистрации способной принимать слабые световые сигналы от высот 200 м. до 40 000 м с пространственным разрешением не ниже 120 м. Совершенно ясно, что регистрация сигналов обратного рассеяния с высот более 12 000 метров требует использования счетного режима фотоэлектронного умножителя. Поэтому система должна поддерживать именно этот режим работы. Для обеспечения лидарного зондирования атмосферного аэрозоля на больших высотах с высоким пространственным разрешением, система регистрации должна обеспечивать высокое быстродействие при регистрации слабых сигналов. Также система должна управляться с персонального компьютера и передавать данные по интерфейсу, обеспечивающему максимальную достоверность пересылаемых данных и скорость позволяющую очищать встроенную в устройство память в интервалах между зондирующими импульсами. Кроме того, система должна быть достаточно компактной и надежной для использования в экспедиционных условиях.

3. Провести исследования и разработать лазерный флуориметр, предназначенный для оперативного измерения концентрации хлорофилла «А» и спектров флуоресценции растворённого в морской воде органического вещества.

Получение этих параметров необходимо при исследовании того, каким образом климатообразующие факторы или сами климатические изменения влияют на биооптические параметры морской воды.

Аппаратурный комплекс должен осуществлять измерение характеристик процессов на малых масштабах (около 50 метров) и корректно регистрировать биооптические параметры в спектральном диапазоне от 540нм до 800нм. Кроме того, флуориметр должен содержать минимальное количество механических частей и обеспечивать возможность непрерывных измерений в длительных морских экспедициях.

Разрабатываемое устройство должно быть надежным, компактным и простым в настройке т.к. в условиях морской экспедиции часто возникает необходимость оперативного свертывания и развертывания исследовательских комплексов.

4. Провести экспериментальные исследования влияния атмосферного аэрозоля на биооптические параметры морской воды.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

1. Впервые лазерная индуцированная флуориметрия и лидарное зондирование атмосферного аэрозоля одновременно использованы для получения данных о воздействии континентального атмосферного аэрозоля на биооптические параметры морской воды.

2. Впервые разработан счетчик одноэлектронных импульсов, использующий метод «двойного счетчика», который позволил регистрировать сигнал обратного рассеяния по всей трассе зондирования непрерывно, без прекращения регистрации в моменты переключения счётчиков.

3. Создан малогабаритный прокачиваемый лазерный флуориметр, позволяющий проводить оперативные измерения спектров лазерной индуцированной флуоресценции морской воды и концентрации хлорофилла «А». Новизна флуориметра состоит в использовании электронно-оптического преобразователя в качестве усилителя яркости спектра, полученного при помощи полихроматора, причем регистрация производится во всем исследуемом спектральном интервале при помощи цифровой ПЗС камеры.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Лидарные измерения оптической толщины тропосферного аэрозоля над морской акваторией, проводимые совместно с лазерной флуориметрией морской воды позволяют регистрировать изменения в биооптических параметрах морской воды, вызванных воздействием атмосферного континентального аэрозоля.

2. Изменение биооптических параметров морской воды происходит через 40−80 часов после регистрируемых изменений высотного профиля коэффициента аэрозольного обратного рассеяния.

3. Использование метода «двойного счетчика» и деление трассы зондирования на временные интервалы позволяет реализовать счет одноэлектронных импульсов непрерывно по всей трассе зондирования с минимальным пространственным разрешением в 120 метров в диапазоне высот от 200 м до 40 000 м.

4. Одновременная регистрация спектра ЛИФ в исследуемом интервале длин волн от 540 нм до 800 нм при возбуждении лазерным излучением с длиной волны 532нм, позволяет изучать динамику биооптических параметров с пространственным разрешением 50 м и корректно устанавливать связь между биооптическими параметрами спектра ЛИФ органического вещества в морской воде.

Практическая значимость работы определяется использованием разработанной аппаратуры в решении прикладных задач:

1. Создана действующая модель счётчика одноэлектронных импульсов, позволяющего регистрировать обратно рассеянное излучение от высот 200 м до 40 000 м с минимальным пространственным разрешением 120 м. При.

12 помощи этого счетчика произведена регистрация распределения аэрозольных слоев, проходящей над Владивостоком в 2006 году пылевой бури, зародившейся в пустыне Гоби. В период с 2003 г. по 2006 г, при помощи разработанного счетчика одноэлектронных импульсов, произведена регистрация распределения аэрозольных слоев по высоте до высот 40 км в нескольких морских экспедициях.

Создан компактный судовой флуориметр, позволяющий проводить непрерывную регистрацию спектров ЛИФ в диапазоне 540−800нм, с пространственным разрешением в 50 метров. Использование компактного судового флуориметра в ходе морских экспедиций в период с 2006 г. по 2007 г. позволило осуществить исследование пространственно-временных распределений полей биооптических параметров в ряде биопродуктивных районов Охотского и Японского морей.

3. Предложенная методика совместных измерений и аппаратурные комплексы использованы при изучении воздействия атмосферных процессов на морские экосистемы. При помощи разработанных аппаратурных комплексов, была произведена параллельная регистрация биооптических параметров и аэрозольных оптических толщин в двух регионах Японского моря во время прохождения пылевой бури из пустыни Гоби в 2006 году.

Приведенные в диссертации технические разработки использовались при выполнении следующих грантов: грант РФФИ 07−05−13 505-офиц «Исследование влияния климатообразующих факторов на состояние фотосинтетического аппарата клеток фитопланктона и процессов саморегуляции радиационно-активных компонентов фитопланктонными сообществами» грант РФФИ 06−05−96 105-рвостока «Исследование пространственно временной изменчивости воспроизводства растворенного органического вещества клетками фитопланктона» грант ДВО РАН 06−1-П16−060 «Структура и динамика радиационно-активных компонентов атмосферы в переходной зоне материк-океан и их влияние на состояние фитопланктонных сообществ» грант ДВО РАН 06-II-CO-7 028 «Особенности формирования континентального тропосферного аэрозоля в Сибири, полей озона и аэрозоля над акваториями Дальневосточных морей» .

Апробация работы.

Результаты исследований по теме диссертационной работы были представлены на:

— региональная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по физике Владивосток: ДВГУ 2004.

— Конференции «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы», г. Томск. 2006 г.

— Конференции «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование». Владивосток, 2007.

— XI конференции студентов, аспирантов, и молодых ученных по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов ПДММ-2007.Владивосток, 2007.

Основные результаты опубликованы в следующих работах:

1. Майор А. Ю., Букин O.A., Крикун В. А., Бауло E.H., Ластовская И. А. Компактный судовой проточный флуориметр // Оптика атмосферы и Океана. Т.20. № 3.2007.С.283−285.

2. Майор А. Ю. Букин O.A. Крикун В. А Счетчики фотонов с ФЭУ // Приборы и техника эксперимента № 3.2006.С. 163−164.

3. Букин O.A. Майор А. Ю. Крикун В.А. Счетчик фотонов // Патент на полезную модель № 47 099 зарегистрированный в реестре полезных моделей РФ.10.08.2005.

4. Майор А. Ю., Букин O.A., Павлов А. Н., Крикун В. А. Судовой лазерный проточный флуориметр // Патент на полезную модель № 53 016 зарегистрированный в реестре полезных моделей РФ. ОЗ .04.2006.

5. Майор А. Ю., Букин O.A., Крикун В. А., Кульчин Ю. Н., Вознесенский С. С. Погружной лазерный судовой спектрометр // Патент на полезную модель № 57 009 зарегистрированный в государственном реестре РФ. 27.09.2006.

6. Bukin O.A., Pavlov A.N., Shmirko K.A., Stolyarchuk S. Yu. Krikun V. A Atmosphere aerosol dynamics above Vladivostok during dust storm in the Gobi desert. // Proceedings of International workshop ISTC Baikal. 2006. P. 44 — 46.

7. Майор А. Ю., Букин O.A., Крикун В. А., Ластовская И. А., Киселев В. Д. Судовой флуориметр для измерения биооптических характеристик морской воды. // Электронный журнал «Исследовано в России» 2006.Т.9.№ 091.С.872−874. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2006/091 .pdf.

8. Нагорный И. Г, Майор А. Ю. Крикун В.А. Многоканальные счетчики одноэлектронных импульсов // Электронный журнал «Исследовано в России» 2005.Т.8. № 088.С.926−932. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2005/088.pdf.

9. Павлов А. Н., Майор А. Ю., Крикун В. А. Многоканальные счетчики одноэлектронных импульсов // Тезисы докладов региональной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике ДВГУ. г. Владивосток. 2004. С50−51.

10. Майор А. Ю., Павлов А. Н., Букин O.A., Крикун В. А. Компактный судовой флуориметр // Конференция: «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы». г. Томск. 2006.С.155.

11. Майор А. Ю., Павлов А. Н., Букин O.A., Крикун В. А. Многоканальные счетчики одноэлектронных импульсов // Конференция: «Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы». г. Томск. 2006.С.155.

12. Крикун В. А. Регистрация слабых световых потоков в системах лазерного мониторинга морских экосистем и процессов влияющих на их состояние. // Региональная научная конференция: «Физика: фундаментальные и прикладные исследования, образование». ИАПУ ДВО РАН. г. Владивосток 2007. С.83−84.

13. Крикун В. А. Разработка аппаратных комплексов регистрации слабых световых потоков в задачах зондирования атмосферы и океана. // XI конференция студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов. ИАПУ ДВО РАН. Владивосток 2007. С.320−325.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В заключение сформулируем основные результаты, полученные в работе:

1. Разработан счетчик одноэлектронных импульсов с ФЭУ, позволяющий регистрировать особенности расположения аэрозолей в атмосфере с пространственным разрешением не мене 120 м. В счетчике был реализован метод «двойного счета», что позволило исключить потери полезного сигнала и обеспечить непрерывную работу устройства. Счетчик был интегрирован в лидарные системы (стационарную и мобильную) и был использован для исследования динамики атмосферного аэрозоля.

2. Разработан компактный судовой лазерный проточный флуориметр, позволяющий проводить оперативные измерения биооптических параметров морской воды на малых масштабах с пространственным разрешением порядка 50 метров. Флуориметр обеспечивает одновременную регистрацию всего спектра в диапазоне от 540нм. до 800нм, что позволяет корректно устанавливать связь между биооптическими параметрами спетров ЛИФ. Прибор обеспечивает минимально обнаружимые концентрации хлорофилла, А на уровне 0,1 мкг/л.

3. Получены теоретические оценки минимальной регистрируемой освещённости для компактного лазерного флуориметра, а так же оценки предельной мощности сигнала обратного рассеяния при использовании разработанного лидара.

4. При помощи разработанных приборов одновременно произведена регистрация динамики распределения атмосферного аэрозоля и ЛИФ спектров морской воды в выделенных районах, во время прохождения пылевой бури из пустыни Гоби в 2006 г.