Корреляционные соотношения биооптических компонент спектров лазерной индуцированной флуоресценции морской воды тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правах рукописи

СПТ . _

I

САЛЮК ПАВЕЛ АНАТОЛЬЕВИЧ

КОРРЕЛЯЦИОННЫЕ СООТНОШЕНИЯ БИООПТИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТ СПЕКТРОВ ЛАЗЕРНОЙ ИНДУЦИРОВАННОЙ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ МОРСКОЙ ВОДЫ

01.04.05-Оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Владивосток - 2005

Работа выполнена в лаборатории Лазерной оптики и спектроскопии Тихоокеанского океанологического института им. В.И. Ильичева ДВО РАН

Научный руководитель: доктор физико-математических наук,

профессор Букин Олег Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук,

профессор Витрик Олег Борисович

кандидат физико-математических наук, доцент Луговой Владимир Александрович

Ведущая организация: Институт автоматики и процессов управления

ДВО РАН

Защита состоится 23 ноября 2005 года в 1400 часов на заседании диссертационного совета ДМ 218.003.01 при Дальневосточном государственном университете путей сообщения по адресу: 680021, Хабаровск, ул. Серышева, 47, ауд. 230

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Дальневосточного государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан 21 октября 2005 года

Ученый секретарь диссертационного совета кандидат технических наук

Шабалина Т.Н.

</8338

ЩЧЧЧ6

3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследований

Проблема исследования фитопланктонных сообществ приобретает в настоящее время особое значение в связи с актуальностью задач оценки биопродуктивности океана, а также явно выраженными климатическими изменениями на планете и все возрастающим антропогенным воздействием на морские экосистемы. Мониторинг фитопланктонных сообществ подразумевает определение величин, характеризующих функционирование отдельной клетки и работу фотосинтетической системы на молекулярном уровне, но применительно к большим пространственно-временным масштабам. Измерение биооптических параметров морской воды с использованием спектроскопии лазерной индуцированной флуоресценции (ЛИФ) активно используется для создания методов такого мониторинга С помощью спектроскопии ЛИФ возможно определять такие биооптические параметры, как концентрация основного и дополнительных пигментов клеток фитопланктона, скорость электронного транспорта в реакции фотосинтеза интенсивность флуоресценции растворенного органического вещества (РОВ).

Анализ функциональных зависимостей перечисленных биооптических параметров является актуальным с точки зрения создания новых и оперативных методов исследования процессов воспроизводства растворенного органического вещества клетками фитопланктона и оценки той части РОВ, которая непосредственно определяется процессами жизнедеятельности клеток. Исследование корреляционных соотношений биооптических параметров позволяют разработать новые подходы к классификации фитопланктонных сообществ по темпам воспроизводства РОВ и оценки их состояния.

Цель работы

Целью настоящей работы является разработка метода для исследования процессов воспроизводства органического вещества клетками фитопланктона в океане по биооптическим компонентам спектров лазерной индуцированной флуоресценции морской воды.

Задачи исследований

Для достижения поставленной цели в данной работе были сформулированы и решены следующие задачи:

1. Провести измерение спектров ЛИФ морской воды в различные периоды развития клеток фитопланктона и в различных по биопродуктивности районах Мирового океана.

2. Оценить влияние эффекта световой адаптации фотосинтетического аппарата клеток фитопланктона на измерение интенсивности флуоресценции хлорофилла «А».

3. Провести анализ функциональных зависимостей биооптических параметров ЛИФ спектров, измеренных в различные периоды развития клеток, в различных районах Мирового океана.

4. Исследовать корреляционные соотношения биооптических параметров для определения той части РОВ, которая дает максимальный вклад в интенсивность спектров флуоресценции при возбуждении лазерным излучением с длиной волны 532 нм.

5. Разработать основы метода мониторинга фитопланктонных сообществ по измерению параметров ЛИФ спектров, характеризующих процессы воспроизводства РОВ клетками фитопланктона.

Научная новизна работы

При решении поставленных задач получены следующие новые научные результаты:

1. Впервые метод лазерной индуцированной флуоресценции применен для исследования процессов воспроизводства органического вещества фито-планктонными сообществами.

2. Показано, что наибольший вклад в сигнал флуоресценции РОВ, при возбуждении лазерным излучением длиной волны 532 нм, дает «молодое» РОВ.

3. На основе исследования функциональных соотношений биооптических компонент спектров ЛИФ разработаны основы классификации фитопланктонных сообществ по параметрам, характеризующим процесс воспроизводства РОВ клетками фитопланктона.

Практическая значимость работы

1. Разработанная процедура автоматической обработки ЛИФ спектров повышает достоверность определения биооптических параметров морской воды и увеличивает оперативность обработки данных.

2. Проведена оценка диапазона значений концентраций хлорофилла «А» при которых проточный метод ЛИФ позволяет проводить количественные измерения.

3. Разработанная методика может быть использована для проведения коррекции спутниковых алгоритмов по восстановлению полей концентраций хлорофилла «А» и РОВ.

4. Предложенный метод позволяет оперативно и дистанционно проводить исследования процессов воспроизводства РОВ, что значительно снижает трудоемкость таких исследований по сравнению с традиционными методами, а так же делает возможным проводить исследования на больших акваториях.

ОСНОВНЫЕ ЗАЩИЩАЕМЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

1. Высокие значения коэффициентов корреляции биооптических компонент спектров ЛИФ, характеризующих флуоресцентную часть РОВ и концентрацию хлорофилла «А» (О и С), наблюдаются в период активного развития клеток фитопланктона.

2. Параметры линейных регрессий биооптических компонент спектров ЛИФ (Q-C диаграмм рассеяния) описывают процесс воспроизводства органического вещества клетками фитопланктона.

3. Эффект световой адаптации фотосинтетического аппарата клеток фитопланктона вносит ошибку в измерение интенсивности флуоресценции хлорофилла «А», возбуждаемой лазерным излучением с длиной волны 532 нм, не превышающую 15% от её среднесуточного значения, в случае проведения предварительной темновой адаптации клеток фитопланктона.

4. Биооптический параметр Q, при возбуждении спектров ЛИФ лазерным излучением с длиной волны 532 нм, однозначно определяется флюоресцирующим РОВ, воспроизведенным клетками фитопланктона при концентрациях хлорофилла «А» более 5 мкг/л.

Апробация работы

Основные результаты диссертационной работы опубликованы в работах [1-21] и представлялись автором на следующих конференциях:

1. Int. conference «Lasers, Applications and Technologies», Moscow, 2002.

2. 3* Workshop on Okhotsk Sea and Adjacent Areas by PICES, Vladivostok, 2003.

3. 2nd International conference «Optics of Natural Waters», St. Petersburg, 2003.

4. Региональная научно-техническая конференция "Наука делает мир лучше", МГУ им. адм. Г.И. Невельского, Владивосток, 2003.

5. The 6th IOC/WESTPAC International Scientific Symposium «Challenges for Marine Science in the Western Pacific», Hangzhou, China, 2004.

6. Joint International Symposium "Atmospheric and Ocean Optics", Tomsk, 2004.

7. International conference «Photonics Asia», Beging, China, 2004.

8. Вторая открытая всероссийская конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования земли из космоса», Москва, 2004.

9. 3rd International conference «Optics of Natural Waters», St. Petersburg, 2005.

10. PICES XIV Annual Meeting, Vladivostok, 2005.

11. 5*" international Asia-Pacific Conference «Fundamental problems of opto- and microelectronics», Vladivostok, Russia

Личный вклад соискателя

Автор проводил экспериментальные лабораторные и натурные измерения, участвовал в морской экспедиции по Охотскому морю в 2001 г. в рамках проекта «Дальневосточный экологический плавучий университет», а так же в кругосветной экспедиции в период 2003 - 2004 г.г. Проводил сбор, обработку и анализ данных проточного судового флуориметра и данных сканера SeaWiFS; участвовал в подготовке материалов и написании статей, перечисленных в списке публикаций. Участвовал в разработке процедуры обработки спектров ЛИФ, предложил и исследовал влияние эффекта световой адаптации клеток фитопланктона на измерения интенсивности флуоресценции хлорофилла «А», разработал процедуру кластеризации фитопланктонных сообществ.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы из 109 наименований. Общий объем работы составляет 116 страниц, включая 9 таблиц и 36 рисунков.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении определены актуальность, задачи диссертационной работы. Даны основные положения, выносимые на защиту, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов

В первой главе описана процедура восстановления биооптических параметров морской воды из спектров лазерной индуцированной флюоресценции (ЛИФ). Под биооптическими параметрами в данной работе понимаются все характеристики морской воды, имеющие биологическое происхождение, в той или иной степени, влияющие на цвет или светимость океана.

В параграфе 1.1 проводится описание метода ЛИФ, примененного для измерения биооптических характеристик морской воды. Изложен принцип работы и конструкция судового лазерного флуориметра, используемого в натурных измерениях для выполнения поставленных в работе задач. Рассмотрен измеряемый спектр флуоресценции морской воды, приведены биооптические компоненты, наблюдающиеся в рассматриваемом спектральном диапазоне.

Измерение спектров ЛИФ проводилось непрерывно по ходу движения судна. Флуоресценция морской воды возбуждалась лазерным излучением с длиной волны 532нм и энергией в импульсе 30 мДж. Регистрация сигнала ЛИФ происходила в спектральном диапазоне 560 - 740 нм. Время измерения одного спектра не превышало 2 минут, что при скорости судна 8 узлов обеспечивало пространственное разрешение около 500м.

В параграфе 1.2 описана процедура разложения спектров ЛИФ морской воды на отдельные биооптические компоненты.

Метод обработки спектров ЛИФ, разработанный для используемого в работе флуориметра, позволил отделять различные биооптические компоненты друг от друга. При этом были учтены такие специфические особенности использования прибора в судовых условиях, как сбой режима работы сканирующего монохроматора, временами возникающая нестабильная работа лазера, наличие взвеси в прокачиваемой воде и т.п. В основном причиной инструментальных сбоев были наводки и перебои в сети электропитания судна.

Пример спектра ЛИФ представлен на рис.1. В общем случае спектр раскладывался на следующие биооптические компоненты: ниспадающая широкополосная флуоресценция РОВ, аппроксимируемая экспоненциальной функцией; линия флуоресценции фикоэретрина (ФЭ) - функция Гаусса с центром в диапазоне длин волн 575-590нм; линия флуоресценции производных хлорофилла «А» (ХлА+) - функция Гаусса, бОО-бЗОнм; линия комбинационного рассеяния (КР) морской воды - функция Гаусса, 648нм; линия флуоресценции хлорофилла «А» (ХлА) - функция Гаусса, 670-685 нм; плечо линии флуоресценции хлорофилла «А» (ХлА_) - функция Гаусса, 710-740нм.

Рис.1 Спектр ЛИФ морской воды (исправленный на спектральную характеристику фильтра, служащего для подавления упругого рассеяния, и спектральную чувствительность регистрирующего ФЭУ). / -интенсивность сигнала, нормированная на интенсивность КР воды; X -длина волны регистри-640 680 720 руемого излучения (нм).

X, нм

В параграфе 1.3 оценены инструментальная и методическая ошибки измерения интенсивности линии флуоресценции хлорофилла «А».

Случайные и систематические ошибки измерения интенсивности флуоресценции хлорофилла «А» (ИФХ) были определены методом Монте-Карло. Эти ошибки вызваны шумом на спектрах ЛИФ (инструментальная составляющая) и использованием метода наименьших квадратов, с помощью которого происходила процедура аппроксимации (методическая составляющая).

Значения всех рассчитываемых коэффициентов функций, описывающих биооптические компоненты, корректировались с учетом систематической ошибки. Для каждого из параметров был определен предел чувствительности в зависимости от уровня шума.

Показано, что в наиболее интересном диапазоне максимальной интенсивности флуоресценции хлорофилла «А» 0.2 - 15 отн.ед. (этот диапазон перекрывает практически все районы Мирового океана) методическая ошибка не превышает 20%, а в диапазоне 0.5 - 7 отн.ед. ошибка менее 10%.

Во второй главе рассматриваются различные методы измерения спектров флуоресценции растворенного органического вещества в морской воде, делается обзор работ, где представлены результаты сравнения флуоресцентных измерений РОВ и концентрации растворенного органического углерода (РОУ). Обсуждается природа флуоресценции РОВ на основе обзора литературных данных и результатов, полученных в представленной работе.

В параграфе 2.1 описываются различные методы исследования флуоресценции РОВ. Рассматриваются спектры флуоресценции РОВ при возбуждении излучением с различными длинами волн, в том числе трехмерные спектры флуоресценции, где по осям отложены длина волны возбуждающего излучения, длина волны испускаемого излучения и интенсивность флуоресценции РОВ (ИФРОВ). По литературным данным проведено описание пиков флуоресценции РОВ, наблюдаемых на трехмерных ЛИФ спектрах.

В параграфе 2.2 рассматривается возможность проведения калибровок при измерении концентрации РОВ флуоресцентными методами. Данный во-

прос сложен и на сегодняшний день еще не решен, это обусловлено тем, что общепринятые методики часто дают не концентрацию всего РОВ, а лишь состав его отдельных компонент. В литературе встречается достаточно много данных, где коэффициент корреляции между ИФРОВ при возбуждении ультрафиолетовым излучением (ИФРОВУФ) и концентрацией РОУ значимо отличается от нуля, однако, наклон регрессионной прямой непостоянен и меняется в зависимости от района и времени проведения измерений. По всей видимости, это связано с разной долей углеродосодержащего вещества во флуоресцирующем РОВ. Еще более сложным является вопрос о калибровке ИФРОВ при возбуждении лазерным излучением с длиной волны 532 нм (ИФРОВ532), т.к. на сегодняшний день невозможно химическими методами выделить именно ту часть РОВ, которая дает сигнал ИФРОВ5з2. Для оценки данной величины в работе вводится параметр Q:

740 . / Л

Q* = qQ = q■ ¡'Jf^dÁ, (1)

560 «Р

где 1кр - максимум интенсивности КР морской воды; /Тов - ИФРОВ, Q - площадь под линией флуоресценции РОВ в рассматриваемом спектральном диапазоне (закрашенная область на рис.1), нормированная на сигнал КР и на единичный спектральный интервал; q - коэффициент, который переводит размерность параметра Q к размерности концентрации РОВ в мкг/л - Q*. Несмотря на то, что очень сложно установить связь между параметром Q и концентрацией флюоресцирующей части РОВ (определить коэффициент д), этот параметр рассматривается как некая относительная концентрация флуоресцирующей части.

В параграфе 2.3 рассматривается природа спектров флуоресценции РОВ. Представлен анализ того, какая часть РОВ дает наибольший вклад в сигнал флуоресценции при возбуждении зеленым излучением. По всей видимости, в этом случае более сильно флуоресцирует «молодое» РОВ, т.е. РОВ, недавно произведенное клетками фитопланктона. Такое РОВ имеет более сложную структуру и его флуоресценцию легче возбудить длинноволновым излучением. Исследована связь между параметром Q, который характеризует ИФРОВ532, и соленостью в водах с резким изменением значений солености (в основном в устьях рек). Показано, что в используемых ЛИФ данных связь между ИФРОВ532 и соленостью отсутствует, в отличие от многочисленных данных других работ, где наблюдается тесная линейная связь между соленостью и ИФРОВуф. Это различие говорит о разной природе ИФРОВ532 и ИФРОВу«,, и, скорее всего, свидетельствует о том, что РОВ терригенного происхождения не влияет на ИФРОВ532, а последняя определяется в первую очередь процессами жизнедеятельности фитопланктонных сообществ.

В третьей главе рассматриваются вопросы, связанные с измерением концентрации хлорофилла «А» в морской воде методом ЛИФ

В параграфе 3.1 рассмотрен вопрос о связи между максимумом интенсивности флуоресценции хлорофилла «А» и эталонными измерениями кон-

центрации хлорофилла «А» выполненными в 2001 году в Охотском море. Получившаяся калибровка сравнивается с ранее полученными результатами и калибровками других авторов. Наличие постоянной концентрационной зависимости флуоресценции хлорофилла «А» определяет физический смысл и область практического применения результатов измерения интенсивности флуоресценции хлорофилла «А» в натуральной морской воде.

Для расчета концентрации хлорофилла «А» (обозначена, как С) из спектров ЛИФ использовалась следующая формула:

С = к1ХлА11*=1с-Ф, (2)

где к - калибровочный коэффициент, определяемый из сравнения со стандартными измерениями концентрации хлорофилла «А», Ф - отношение амплитуды ненасыщенной флуоресценции хлорофилла «А» к амплитуде КР воды. В таблице 1 приведено значение коэффициента к, полученное в различных работах.

Таблица 1. Калибровка концентрации хлорофилла «А»

Публикация Источник возбуждения флуоресценции регрессия между СиФ Я(«С-Ф»)

данная работа Nd:Yag, 532нм, 30mJ С = (2.5±0.4)-Ф 0.92

[1] Nd:Yag, 532нм, 30mJ С = (2.3 ±0.3)-Ф 0.8

И Nd:Yag, 532нм С = (2.7±0.3)-Ф 0.9

[3] Nd:Yag, 532нм С = (2.6±0.3)-Ф 0.85

[4] Nd:Yag, 355нм, 30mJ С = (2.5±0.6)-Ф 0.94

Xe-lamp, 480нм С = (0.8 ±0.1) Ф 0.97

[5] F4T5.B2/BP lamp С = 1.7-Ф-1.35 0.92

С = 1.89-Ф+ 3.02 0.8

Примечание: /?(«С-Ф»)- коэффициент корреляции между С и Ф.

Обращает на себя внимание тот факт, что при возбуждении флуоресценции достаточно мощным (близко к пределу насыщения) монохроматическим лазерным излучением все значения калибровочного коэффициента одинаковы в пределах ошибки [1, 2, 3, 4]. И это притом, что геометрия эксперимента, условия приема полезного сигнала и район измерений во всех приведенных работах различны. По всей видимости, близость калибровочных коэффициентов вызвана следующими фактами. Во-первых, интенсивность флуоресценции хлорофилла «А» нормируется с внутренним стандартом - КР воды, что учитывает особенности эксперимента Во-вторых, за счет высокой мощности возбуждающего лазерного излучения фотореакционные центры хлорофилла «А» по максимуму отдают энергию на флуоресценцию.

С учетом инструментальной ошибки определения интенсивности флуоресценции хлорофилла «А» и ошибки калибровки интенсивности флуоресценции хлорофилла «А» на абсолютные значения получена зависимость относительной ошибки измерения концентрации хлорофилла «А» от самих значений концентрации для используемого в работе флуориметра (рис.2). Оце-

нен предел чувствительности флуориметра, который составил 0.1 мкг/л, что согласуется с характеристикой аналогичных приборов других авторов. В диапазоне концентраций до 40 мкг/л относительная ошибка не превышает 40%, что позволяет проводить количественный анализ с использованием данного флуориметра практически в любой акватории Мирового океана.

60 40 20

Рис.2. Относительная ошибка определения концентрации хлорофилла «А» (%) методом ЛИФ в зависимости от значения концентра-С мкг/л ции хлорофилла «А» (С, мкг/л).

10 20 30 40

В параграфе 3.2 исследован суточный ход интенсивности флуоресценции хлорофилла «А», измеренной на используемом в работе флуориметре. Проведена оценка влияния эффекта световой адаптации фотосинтетического аппарата клеток фитопланктона на измерение интенсивности флуоресценции хлорофилла «А».

В ЛИФ данных было выделено 19 непрерывных рядов спектров флуоресценции, измеренных в течение периода времени более 48 часов. С помочью анализа Фурье исследованы ритмы временного хода ИФХ, ИФРОВ и температуры. Параллельно исследовался ход интенсивности падающего солнечного света, рассчитанного теоретически по известным координатам и времени измерения. Анализ хода температуры и падающего солнечного света был сделан с той целью, чтобы определить временной масштаб, соответствующий суточному ходу, в связи с тем, что суточный период не обязательно соответствовал 24 часам. Это вызвано тем, что судно постоянно находилось в движении, и судовые световые сутки могли удлиняться или укорачиваться в зависимости от направления движения и смены типов вод.

На рис.3, представлен пример рассчитанных спектров мощности на различных периодах колебаний для района Атлантического океана вдоль островов Ирландия и Великобритания. На всех четырех спектрах четко виден суточный масштаб.

10 20 30 40 временной масштаб, часы

Рис.3. Спектры мощности для временного хода ИФХ (1); ИФРОВ (2); температуры (3); интенсивности падающего солнечного света (4). Значения спектральных плотностей мощности (СПМ) нормированы на площадь под спектром для каждого из приведенных спектров.

В трех районах не наблюдалось суточного хода температуры - это может быть объяснено либо гидрологической сложностью этих районов, либо движением судна, когда совершался переход из вод с одним температурным режимом в другой. По этим причинам рассмотрение масштабов ИФХ и ИФРОВ некорректно и было опущено.

В 10 из 16 районов наблюдался суточный ход ИФХ. При этом в большинстве из этих случаев (9 из 10) одновременно присутствовал циклический ход флуоресценции РОВ, что может быть объяснено либо периодическими изменениями свойств морской воды, либо тем фактом, что в наблюдаемом слое изменялась концентрация фитопланктона и, следовательно, производилось разное количество РОВ. Единственным районом, в котором наблюдался суточный масштаб только хлорофилла «А» - это Малаккский пролив. Основываясь на имеющихся данных трудно оценить вклад только эффекта световой адаптации в суточный ход интенсивности флуоресценции хлорофилла «А». Отметим только, что амплитуда суточного ритма не превышала 15% от среднесуточных значений ИФХ, а в Малаккском проливе амплитуда составила 10%. Значение 15% было принято как верхняя оценка ошибки которая возникает если не учитывать эффект световой адаптации фитопланктона при измерении ИФХ.

В четвертой главе представлен анализ соотношений биооптических компонент спектров ЛИФ для различных оптических типов морских вод.

В параграфе 4.1 приведена методика, позволяющая исследовать процессы воспроизводства РОВ клетками фитопланктона Рассмотрены О-С соотношения для трех высокобиопродуктивных районов Мирового океана.

Для исследования процессов воспроизводства РОВ фитопланктонными сообществами анализируются соотношения между ИФРОВ532, которое численно выражено параметром О, и концентрацией хлорофилла «А» - С. Для этого строятся диаграммы рассеяния О-С (рис.4.ж-з, рис.5, рис.6). В некоторых районах между О и С наблюдается линейная зависимость, в этом случае, если коэффициент корреляции между О и С (обозначен Я?) статистически значим, вводится линейная регрессия для описания С?-С соотношений, в которой свободный член обозначен <Э0, а тангенс угла наклона - V.

<Э(С) = О0+С-1/, (3)

где <Эо интерпретируется как фоновое значение флуоресцирующей части РОВ (т.е. либо РОВ не произведенное рассматриваемым фитопланктонным сообществом в рассматриваемый период времени, либо РОВ поступившее от источников, вообще не связанных с фитопланктонным сообществом); V- удельное воспроизводство флуоресцирующей части РОВ (в относительных единицах), таким количеством фитопланктона, которое содержит 1 мкг/л хлорофилла «А», в рассматриваемый период времени. Коэффициент корреляции Я характеризует на сколько сильно ИФРОВ532 определяется процессами жизнедеятельности фитопланктонных сообществ.

Рис. 4. Анализ О-С диаграмм для трех высокобиопродуктивных районов Мирового океана.

*

На рис.4 приведен анализ О-С диаграмм для трех высокобиопродуктивных районов Мирового океана (рис.4а-в). На рис.4г-е представлен временной ход концентрации хлорофилла «А» усредненной по рассматриваемым районам (значения концентрации получены из данных 3-го уровня сканера цвета морской поверхности БеаМРв). Зеленой областью выделены периоды в течении которых проводились судовые измерения. Видно, что в первых двух районах измерения проводились во время периода цветения водорослей, а в третьем районе - вне периода цвета. Однако в третьем районе на отдельных участках маршрута (вдоль Курильской гряды) наблюдались значения С превышающие 10 мкг/л, что может быть отнесено к локальному цветению водорослей. На рис.4ж-и приведены О-С диаграммы для исследуемых районов. Цвет точек на диаграммах соответствует цвету, которым окрашен маршрут судна. На диаграмме 1-го района (рис.4ж, оси в логарифмическом масштабе) выделяется как минимум четыре отдельные области, в каждой из которых наблюдается достаточно высокий коэффициент корреляции. Интересен тот факт, что разделение произошло в соответствии со структурой поверхностных течений, устанавливающейся в рассматриваемое время года. Во 2-ой диаграмме рассеяния (рис.4з) можно выделить две области с высокими коэффициентами корреляции. В 3-ем районе (рис.4и), в котором измерения проводились вне периода цвета водорослей, наблюдалось восемь отдельных областей, причем большая часть из них имела низкие значения корреляции. Чтобы не загружать рисунок, на соответствующей диаграмме представлено только четыре кластера, два из которых имеют высокий коэффициент корреляции.

В работе проведен анализ О-С диаграмм для района Восточно-Китайского и Южно-Китайского морей в разные периоды развития фитопланктонных сообществ (рис.5). Синим цветом выделены измерения, полученные в феврале 2003 года, а зеленым - в марте 2004 года. Видно, что в марте, который находится ближе к периоду цвета водорослей коэффициент корреляции между О и С больше, чем в феврале- 0 61 и 0.43, соответственно. 200

Рис.5. О-С диаграммы рассеяния для 150одного и того же района в разные пе-

риоды развития водорослей (Восточно-100Китайское и Южно-Китайское моря). 1

- февраль 2003 года; 2 - март 2004 50(ближе к периоду цветения водорос-

лей).

°0 1 2 3 4

В параграфе 4.2 проведена более детальная кластеризация фитопланктонных сообществ по соотношению биооптических параметров ЛИФ спектров. Выделены те участки маршрута, где параметры, характеризующие процесс воспроизводства РОВ клетками фитопланктона, были постоянными в пределах ошибки (это такие параметры, как коэффициент корреляции и коэффициенты линейной регрессии (3) - О0 и V, рассчитанные в скользящем окне 60

точек). Процедура кластеризации была использована при рассмотрении более 100 тысяч ЛИФ спектров, которые получены во время экспедиций в период с 2000 по 2004г.г. на акватории открытых океанических вод и вод окраинных морей Тихого, Индийского и Атлантического океанов. Полученные кластеры можно рассматривать, как отдельные фитопланктонные сообщества (в смысле воспроизводства РОВ), каждое из которых характеризуется следующими параметрами: средняя по кластеру концентрация хлорофилла «А» (С); средняя ИФРОВ532 (0); коэффициент корреляции Я; коэффициенты линейной регрессии О0 и у; место и время измерений значений О и С, принадлежащих кластеру. Пример выделенных кластеров представлен на рис.6.

Рис.6. Пример кластеров, выделенных по коэффициентам /?, V, О0 для различных районов Мирового океана: 1 - Охотское море, 5 августа 2002г, 2

- Северное море, 28 апреля 2003г; 3

- юго-западная часть Атлантического океана, 10 декабря 2004г.

0 2 4 6 8 10 12

В параграфе 4.3 проводится анализ фитопланктонных сообществ по параметрам, характеризующим процессы воспроизводства РОВ клетками фитопланктона.

Наибольший интерес вызывают фитопланктонные сообщества, в которых наблюдается сильная линейная связь (большие коэффициенты Я?) между концентрацией хлорофилла «А» и воспроизводимым фитопланктоном РОВ. Стоит отметить, что при превышении концентрации хлорофилла «А» значения 5 мкг/л коэффициент корреляции /? не опускается меньше 0.4, а при С>10 мкг/л И > 0.7. (рис.7а). Т.е. можно утверждать, что при достаточно высокой концентрации хлорофилла «А» (по крайней мере, больше 5мкг/л) в сигнале флуоресценции преобладает РОВ, которое произведено фитопланктонным сообществом в рассматриваемом районе в данный период времени (это так называемое "молодое" РОВ).

Кластеры с Я больше 0.5 наблюдались, в основном, в период цветения водорослей, но были и отдельные линейные кластеры в Красном и Средиземном морях, а также целый ряд в Охотском море в 2001, 2002 годах вне периода цвета. Эти кластеры отнесены к локальному цветению водорослей.

Из диаграммы рассеяния у-С (рис.7б) видно, что при увеличении концентрации хлорофилла «А» наблюдается тенденция уменьшения темпов воспроизводства органического вещества V. По всей видимости, с увеличением концентрации хлорофилла «А» до некоторой величины, падает эффективность воспроизводства РОВ, при этом параметр V примерно одинаков у кластеров с концентрацией хлорофилла «А» больше 8 мкг/л, он составляет порядка 30.

Рис.7, а) Зависимость коэффициента корреляции Я от концентрации хлорофилла «А», серым цветом обозначены статистически незначимые значения Я (по критерию Стьюдента, с уровнем значимости 5%). б.) Зависимость параметра V от концентрации хлорофилла «А».

На рис.8а приведены гистограммы значений параметра V для наиболее биопродуктивных районов Мирового океана. Во всех трех районах наблюдается одномодовое распределение. Совпадение, по порядку величины, наиболее вероятных значений V для разных географических и климатических зон Мирового океана в периоды цветения или близкие к ним (Южная Атлантика и Тихий океан - 35, Северное и Охотское моря - около 45), говорит об универсальном характере процесса фотосинтеза в смысле воспроизводства органики клетками фитопланктона. Различия же в гистограммах исследованных районов южного и северного полушария следует, вероятно, отнести к особенностям функционирования фитопланктонных сообществ в различных климатических и гидрофизических условиях.

На рис.8б показано распределение параметра V для района Атлантического океана вдоль побережья Португалии в разные периоды наблюдения. На основе рис.8 можно сделать вывод, что удельное воспроизводство РОВ определяется в большей степени стадией развития фитопланктонного сообщества, а не местоположением, где оно функционирует.

океана: 1 - Охотское море (июль, август 2002г); 2 - Северное море (апрель 2003г); 3 - юго-западная часть Атлантического океана и тихоокеанское побережье Чили (декабрь 2003г.). б.) Гистограммы V для атлантического побережья Португалии: 1 - апрель 2003; 2 - октябрь 2003.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты, полученные в работе:

1. Разработана процедура обработки спектров лазерной индуцированной флуоресценции, позволяющая получать такие биооптические параметры, как флуоресценция фикоэретрина, хлорофилла «А» и растворенного органического вещества.

2. Проведена оценка инструментальной ошибки флуориметра и ошибки определения концентрации хлорофилла «А» по измерениям интенсивности флуоресценции хлорофилла «А».

3. Исследовано влияние эффекта световой адаптации фотосинтетического аппарата клеток фитопланктона на измерение интенсивности флуоресценции хлорофилла «А».

4 Показано, что в высокобиопродуктивных водах океана биооптический параметр Q однозначно определяется процессами жизнедеятельности фитопланк-тонных сообществ.

5. Разработана методика использования ЛИФ данных для описания процесса воспроизводства органического вещества клетками фитопланктона.

6. Показано, что удельное воспроизводство флюоресцирующего РОВ примерно одинаково при достижении критической концентрации хлорофилла «А» - 8 мкг/л, и определяется в большей степени стадией развития фитопланктонного сообщества, а не местоположением, где оно функционирует.

7. На основе проведенного анализа соотношения биооптических компонент спектров ЛИФ, показано, что величина коэффициента корреляции R, между значениями ИФРОВ532 и концентрации хлорофилла «А», более 0.5 на акваториях, где концентрация хлорофилла «А» превышает 5 мкг/л.

СПИСОК ЦИТИРОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Букин O.A. и др. О калибровке метода лазерной флуорометрии при измерении концентрации хлорофилла А // Оптика атмосферы и океана. - 2001. - Т. 14. - № 3,- С. 28-32.

2. Демидов A.A. и др., Применение лазерной спектрофлуориметрии для измерения концентрации пигментов морского фитопланктона // Океанология. -1981.-Т. 21.-N2 1.-С. 174-179.

3. Фадеев В. В. и др. Применение лазерной спектроскопии для определения пигментов морского фитопланктона // Труды института океанологии. - 1980. -Т. 90. - С. 219-234.

4. Barbini R. et al. Differential lidar fluorescensor system used for phytoplankton bloom and sea water quality monitoring in Antarctica. Int. Journal of remote sensing. - 2001. - V. 22. - № 2-3. - P. 369-384.

5. Pinto A.M.F. et al. Chlorophyll «A» determination via continuous measurement of plankton fluorescence' Methodology development // Wat. Res. - 2001. - V. 35. - № 16.-P. 3977-3981.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА

1. Букин О.А., Пермяков М.С., Зенкин О.Л., Хованец В.А, Пузанков К.А., Буров Д.В., Салюк П.А. Сравнительный анализ результатов измерения концентраций хлорофилла «А», полученных с использованием данных сканера цвета морской поверхности SeaWiFS и методом лазерной индуцированной флюоресценции в Охотском море // Исследование земли из космоса. - 2003. - № 4.

- С. 84-90.

2. Букин О.А., Пермяков М.С., Салюк П.А., Майор А.Ю., Буров Д.В., Хованец В.А., Голик С.С., Подопригора Е.Л. Особенности формирования спектров лазерной индуцированной флуоресценции морской воды в период цветения водорослей в различных районах Мирового океана // Оптика атмосферы и океана. - 2004. - Т. 17. - № 9. - С. 742-749.

3. Пермяков М.С., Акмайкин Д.А., Салюк П.А., Букин О.А., Тархова Т.И., Смолин П. В. Влияние тайфунов на поля концентрации хлорофилла «А» по данным сканера цвета морской воды SeaWiFS II Исследование Земли из космоса. - 2005. - № 6. - С. 56-62.

4. Букин О.А., Салюк П.А., Майор А.Ю., Павлов А.Н. Исследование процессов воспроизводства органического вещества клетками фитопланктона методом лазерной индуцированной флуоресценции II Оптика атмосферы и океана. -2005. -№11. -С. 1-7.

5. Пермяков М.С., Букин О.А., Акмайкин Д.А., Салюк П.А., Буров Д.В., Подопригора Е.Л. О региональных алгоритмах восстановления концентраций хлорофилла «А» по данным сканера SeaWiFS для Охотского моря // Электронный журнал «Исследовано в России». - 2004. - № 87. - С. 972-981. http//zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2004/087.html.

6. Salyuk P.A., Podoprigora E.L. Comparative analysis of the chlorophyll-a concentrations obtained by the laser induced fluorescence method (LIF) and SeaWiFS IISPIE proceedings. - 2003. - V. 5149. - P. 53-59.

7. Salyuk P.A., Bukin O.A., Permyakov M.S., Podoprigora E.L., Burov D.V. Classification of the Sea of Okhotsk waters by the laser induced fluorescence spectra parameters // Proceedings of International conference «Optics of Natural Waters».

- St. Petersburg, Russia, 2003. - P. 176-180.

8. Golik S.S., Bukin O.A., llyin A.A., Tsarev V.I., Salyuk P.A., Shmirko K. Application of high-power ND:YAG lasers for environmental monitoring // SPIE proceedings. - 2005. -V. 5627. - P.350-356.

9. Salyuk P.A., Bukin O.A., Permyakov M.S. Using of laser induced fluorescence method for phytoplankton communities describing // SPIE proceedings. - 2005. -V. 5851.-P. 232-236.

10. Salyuk P.A., Bukin O.A., Akmaykin D.A., Lastovskaya I.A. Application of the laser induced fluorescence method for monitoring of the processes of dissolved organic matter reproduction by phytoplankton cells // Proceedings of Int. conference «Optics of Natural Waters». - St. Petersburg, Russia, 2005. - P. 206-211.

11. Салюк П.А., Буров Д.В. Сравнение характеристик спектров лазерной индуцированной флюоресценции морской воды в периоды цветения фитопланк-

тона для охотского и северного морей // Труды региональной научно-технической конференции «Наука делает мир лучше». - МГУ им. адм. Г.И. Невельского, 2004. - С. 177-184.

12. Буров Д.В, Салюк ПА Сравнительный анализ судовых и спутниковых концентраций хлорофилла «А» в тропических и субтропических районах // Труды региональной научно-технической конференции "Наука делает мир лучше", МГУ им. адм. Г.И. Невельского, 2004. - С. 191-199

13. Салюк П.А., Буров Д В Разложение спектров лазерной индуцированной флюоресценции морской воды на органические компоненты в задачах мониторинга фитопланктона // Труды региональной научно-технической конференции "Наука делает мир лучше" - МГУ им. адм. Г.И. Невельского, 2004. - С. 227-240.

14. Salyuk Р.А., Akmaykin D.A. Developing of the regional ocean color chloro-phyll-a algorithms for SeaWiFS for Okhotsk Sea II Third Workshop on Okhotsk Sea and Adjacent Areas by PICES. - Vladivostok, Russia, 2003. - P. 67.

15. Salyuk P.A, Bukin O.A New Approach to Investigation of the Organic Matter Reproduction Processes by Phytoplankton Community // Abstracts of 6th IOC/WESTPAC International Scientific Symposium «Challenges for Marine Science in the Western Pacific». - Hangzhou, China, 2004. - P. 38-39.

16. Burov D.V., Salyuk PA Bukin O.A. Developing of the Regional Ocean Color Chlorofyll-a Algoritms for Remote Sensing with use of Laser Induced Fluorescence (LIF Spectra) // Abstracts of 6th IOC/WESTPAC International Scientific Symposium «Challenges for Marine Science in the Western Pacific». - Hangzhou, China, 2004.

- P. 92.

17. Golik S.S , llyin A A., Salyuk P.A. Monitoring of marine water and phytoplankton community by laser induced brekdown spectroscopy and laser induced fluorescence // Abstracts of 6th IOC/WESTPAC International Scientific Symposium «Challenges for Marine Science in the Western Pacific». - Hangzhou, China, 2004.

- P. 94.

18. Salyuk PA., Bukin O.A , Permyakov M.S. Investigation of the organic matter cycles in the ocean by LIF spectroscopy // Joint International Symposium "Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics". - Tomsk, Russia, 2004. -P.166.

19. Акмайкин Д.А., Пермяков M.C., Салюк П.А., Букин O.A. Оценки воздействия тропических циклонов на распределение концентрации хлорофилла «А» в некоторых районах Тихого океана // Материалы научной конференции «Современные проблемы дистанционного зондирования земли из космоса», ИКИ РАН. 2004. С. 125.

20. Akmaykin D.A., Salyuk P.A. Statistical structure of biooptical parameters of the surface layer at the Japan and Okhotsk seas II PICES XIV Annual Meeting. -Vladivostok, Russia, 2005. - P. 169.

21. Salyuk P.A., Bukin O.A., Akmaykin D.A. Monitoring of processes of dissolved organic matter production by phytoplankton using optical spectroscopy method // PICES XIV Annual Meeting. - Vladivostok, Russia, 2005. - P. 174.

САЛКЖ ПАВЕЛ АНАТОЛЬЕВИЧ

КОРРЕЛЯЦИОННЫЕ СООТНОШЕНИЯ БИООПТИЧЕСКИХ КОМПОНЕНТ СПЕКТРОВ ЛАЗЕРНОЙ ИНДУЦИРОВАННОЙ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ МОРСКОЙ ВОДЫ

01.04.05 -Оптика

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Подписано в печать 07.10.2005 г. Уч.-изд. л. 0.8. Усл. печ. л. 1.1. Формат 60*84/16 Тираж 100 экз. Заказ №

Отпечатано в Тихоокеанском океанологическом институте им. В.И. Ильичева ДВО РАН 690041, г. Владивосток, ул. Балтийская, 43.

'""»211

РЫБ Русский фонд

2006-4 18938

4

ГЛАВА I. ВОССТАНОВЛЕНИЕ БИООПТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МОРСКОЙ ВОДЫ ИЗ СПЕКТРОВ ЛАЗЕРНОЙ ИНДУЦИРОВАННОЙ

ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ (ЛИФ).

1.1. Метод лазерно-индуцированной флуоресценции.

1.2. Процедура обработки спектров лазерно-индуцированной флуоресценции.

1.3. Определение ошибок измерения биооптических компонент спектров ЛИФ.

ГЛАВА II. СПЕКТРЫ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ РАСТВОРЕННОГО ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В МОРСКОЙ ВОДЕ.

2.1. Определение флуоресцирующей части растворенного органического вещества (РОВ).

2.2. Сравнение характеристик спектров флуоресценции растворенного органического вещества с концентрационными измерениями РОВ.

2.3. Природа флуоресценции растворенного органического вещества.

ГЛАВА III. ИЗМЕРЕНИЕ КОНЦЕНТРАЦИИ ХЛОРОФИЛЛА «А» В МОРСКОЙ ВОДЕ МЕТОДОМ ЛИФ.

3.1. Соотношение между интенсивностью флуоресценции хлорофилла «А» и концентрацией хлорофилла «А».

3.2. Исследование влияния суточных ритмов флуоресценции хлорофилла «А» на измерение его концентрации.

ГЛАВА IV. АНАЛИЗ СООТНОШЕНИЙ БИООПТИЧЕСКИХ

КОМПОНЕНТ СПЕКТРОВ ЛИФ МОРСКОЙ ВОДЫ.

4.1. Использование диаграмм рассеяния биооптических компонент спектров ЛИФ для исследования циклов воспроизводства РОВ клетками фитопланктона.

4.2. Кластеризация фитопланктонных сообществ по соотношению биооптических параметров ЛИФ спектров.

4.3. Анализ фитопланктонных сообществ по параметрам, характеризующим процессы воспроизводства РОВ клетками фитопланктона.

Проблема мониторинга фитопланктонных сообществ приобретает, в настоящее время, особое значение в связи с актуальностью задач оценки биопродуктивности океана, а также явно выраженными климатическими изменениями на планете и все возрастающим антропогенным воздействием на морские экосистемы. Однако, мониторинг фитопланктонных сообществ подразумевает измерение параметров, характеризующих отдельные клетки и работу фотосинтетической системы на молекулярном уровне, но применительно к большим пространственно-временным масштабам [27, 39]. Для возможно более полного исследования состояния фитопланктонных сообществ и воздействия процессов различной природы (включая антропогенные) на функционирование клеток фитопланктона необходимо определение целого набора параметров, таких как концентрации хлорофилла «А» и дополнительных пигментов, входящих в клетки, скорости электронного транспорта в реакции фотосинтеза, органического вещества, воспроизводимого в результате реакции фотосинтеза, концентрации наиболее важных элементов, входящих в состав клеток и т.д. Все это необходимо измерять оперативно и на больших морских акваториях, методы лазерной спектроскопии позволяют проводить подобные измерения [12, 19, 53].

В данной работе рассмотрены вопросы, связанные с применением метода лазерной индуцированной флуоресценции (ЛИФ) к исследованию воспроизводства органического вещества клетками фитопланктона. Это представляет большой интерес не только в связи с определением состояния морских экосистем, но и в связи с оценками той роли, которую играют клетки фитопланктона в глобальном цикле воспроизводства органического вещества на планете. Содержание растворенного органического углерода (РОУ) в океане соизмеримо по величине с содержанием СОг в атмосфере, а также составляет примерно 20% от общего органического вещества на Земле исключая керогены и уголь) [77]. Основным источником поступления РОУ в океан является фитопланктон, по оценкам, приведенным в работе [38], он продуцирует 20 миллиардов тонн РОУ в год, в то время как поступление органического вещества с суши и первичная продукция фитобентоса дают лишь 5 процентов вновь поступающего органического вещества. При этом биомасса самого фитопланктона, выраженная в единицах органического углерода, относительно очень мала - всего лишь 80 миллионов тон. Таким образом, его ежегодная продукция превышает его биомассу в 250 раз. Это говорит о большой роли фотосинтеза в процессе воспроизводства органики на планете, и обуславливает интерес к исследованию циклов воспроизводства органического вещества именно клетками фитопланктона [43].

Подавляющее количество органического углерода в океане находится в растворенной форме (по разным оценкам 90-98%) [3, 38] и входит в состав растворенного органического вещества (РОВ). РОВ представляют собой очень сложные соединения, только 10-20% этих соединений можно представить в виде отдельных компонентов, остальные 80-90% - это сложные органические смеси, которые нельзя разложить по компонентам и представить в аналитической записи [80, 91].

Вследствие сложной структуры, измерение РОВ представляет очень не простую задачу. Химические методы являются крайне трудоемкими, и также не всегда позволяют измерить концентрацию каждого отдельного компонента, входящего в состав РОВ. Несмотря на то, что оптические методы регистрируют лишь хромофоры и флуорофоры (т.е. соединения поглощающие свет или флуоресцирующие под его действием), тем не менее, для проведения мониторинга процессов воспроизводства органического вещества в морской воде оптические методы являются наиболее подходящими, т.к. они позволяют проводить оперативные измерения на больших акваториях. В плане оперативности и больших масштабов, наиболее привлекательным выглядит спутниковое зондирование восходящего излучения, однако, более богатую информацию по органическим веществам, находящимся в океане, дают активные (лазерные) флуоресцентные методы.

Круг задач, решаемый с помощью методов индуцируемой флуоресценции морской воды обширен. В первую очередь это задачи, связанные с измерением основного и дополнительных пигментов фитопланктона и определением скорости электронного транспорта. Использование схем, позволяющих проводить непрерывные измерения спектров флуоресценции морской воды, дает возможность решать задачи мониторинга состояния и стадии развития фитопланктонных сообществ, исследования циклов воспроизводства РОВ клетками фитопланктона [12, 40, 101-104]. Многоволновое возбуждение спектров флуоресценции позволяет исследовать процессы деградации и трансформации РОВ, более детально изучать компоненты и источники поступления органического вещества в морскую воду [65, 95]. При этом метод ЛИФ позволяет проводить перечисленные исследования оперативно и на различных масштабах (в основном на мезо- и макромасштабах [20]).

Еще одной из задач, решаемой методом ЛИФ спектроскопии является проведение подспутниковых калибровочных измерений концентрации хлорофилла «А». Стандартные алгоритмы восстановления концентрации хлорофилла «А» из спектров восходящего излучения моря (полученные спутниковыми сканерами морской поверхности) постоянно совершенствуются, что требует проведения подспутниковых измерений и создания новых методик калибровок. Алгоритмы, используемые в настоящее время, построены на основе 3000 измерений [93], выполненных в различных частях Мирового океана, но применительно к районам со специфическими биооптическими характеристиками могут давать ошибку определения концентрации хлорофилла «А» более 100%. Метод ЛИФ, обеспечивая большую статистику измерений, позволяет не только получать региональные алгоритмы восстановления концентрации хлорофилла «А», но и проводить биооптическую классификацию вод, где для разных типов морской воды разрабатываются разные биооптические алгоритмы [6,11,13,33,59,99,100].

Таким образом, актуальность постановки данной работы определяется необходимостью разработки новых методов мониторинга фитопланктонных сообществ и, в частности, создания оперативных методов исследования циклов воспроизводства органического вещества клетками фитопланктона, что необходимо для решения ряда фундаментальных проблем исследования окружающей среды. Кроме этого, актуальным является приложение результатов данной работы для решения прикладных задач, например, таких как разработка региональных алгоритмов восстановления полей концентраций хлорофилла «А» по данным спутникового зондирования цвета морской поверхности.

Целью настоящей работы является исследование функциональных зависимостей биооптических компонент ЛИФ спектров, которые возникают на различных стадиях развития клеток фитопланктона, и наблюдаются в морских водах различных оптических типов. Целью работы является так же создание оперативных методов исследования процессов воспроизводства органического вещества клетками фитопланктона в океане на основе проведенных исследований соотношений биооптических компонент ЛИФ спектров.

В данной работе поставлены следующие задачи:

1. Провести измерение спектров ЛИФ морской воды в различные периоды развития клеток фитопланктона и в различных по биопродуктивности районах Мирового океана.

2. Оценить влияние эффекта световой адаптации фотосинтетического аппарата клеток фитопланктона на измерение интенсивности флуоресценции хлорофилла «А».

3. Провести анализ функциональных зависимостей биооптических параметров ЛИФ спектров, измеренных в различные периоды развития клеток, в различных районах Мирового океана.

4. Исследовать корреляционные соотношения биооптических параметров для определения той части РОВ, которая дает максимальный вклад в А интенсивность спектров флуоресценции при возбуждении лазерным излучением с длиной волны 532 нм.

5. Разработать основы метода мониторинга фитопланктонных сообществ по измерению параметров ЛИФ спектров, характеризующих процессы воспроизводства РОВ клетками фитопланктона.

Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:

1. Впервые метод лазерной индуцированной флуоресценции применен для исследования процессов воспроизводства органического вещества фитопланктонными сообществами.

2. Показано, что наибольший вклад в сигнал флуоресценции РОВ, при ф возбуждении лазерным излз'чением длиной волны 532 нм, дает «молодое»

РОВ.

3. На основе исследования функциональных соотношений биооптических $ компонент спектров ЛИФ разработаны основы классификации фитопланктонных сообществ по параметрам, характеризующим процесс воспроизводства РОВ клетками фитопланктона.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Высокие значения коэффициентов корреляции биооптических компонент спектров ЛИФ, характеризующих флуоресцентную часть РОВ и концентрацию хлорофилла «А» (С) и С), наблюдаются в период активного ф развития клеток фитопланктона.

2. Параметры линейных регрессий биооптических компонент спектров ЛИФ (С)-С диаграмм рассеяния) описывают процесс воспроизводства органическо-го вещества клетками фитопланктона.

3. Эффект световой адаптации фотосинтетического аппарата клеток фитопланктона вносит ошибку в измерение интенсивности флуоресценции хлорофилла «А», возбуждаемой лазерным излучением с длиной волны 532 нм, не превышающую 15% от её среднесуточного значения, в случае проведения предварительной темновой адаптации клеток фитопланктона. 4. Биооптический параметр Q, при возбуждении спектров ЛИФ лазерным из-лучением с длиной волны 532 нм, однозначно определяется флюоресцирую-щим РОВ, воспроизведенным клетками фитопланктона при концентрациях хлорофилла «А» более 5 мкг/л.

Практическая значимость результатов, полученных в работе состоит:

1. Разработанная процедура автоматической обработки ЛИФ спектров повышает достоверность определения биооптических параметров морской воды и увеличивает оперативность обработки данных.

2. Проведена оценка диапазона значений концентраций хлорофилла «А» при которых проточный метод ЛИФ позволяет проводить количественные измерения.

3. Разработанная методика может быть использована для проведения коррекции спутниковых алгоритмов по восстановлению полей концентраций хлорофилла «А» и РОВ.

4. Предложенный метод позволяет оперативно и дистанционно проводить исследования процессов воспроизводства РОВ, что значительно снижает трудоемкость таких исследований по сравнению с традиционными методами, а так же делает возможным проводить исследования на больших акваториях.

Основные результаты, вошедшие в диссертационную работу, докладывались и обсуждались на следующих конференциях: Int. conference «Lasers, Applications and Technologies», Moscow, 2002; 3rd Workshop on Okhotsk Sea and Adjacent Areas by PICES, Vladivostok, 2003; 2nd International conference «Optics of Natural Waters», St. Petersburg, 2003; Региональная научно-техническая конференция "Наука делает мир лучше", МГУ им. адм. Г.И. Невельского, 2003; The 6th IOC/WESTPAC International Scientific Symposium «Challenges for Ma-rine Science in the Western Pacific», Hangzhou, China, 2004; Joint International Symposium "Atmospheric and Ocean Optics.",

Tomslc, 2004; International conference «Photonics Asia», Beijing, China, 2004; Вторая открытая всероссийская конференция «Современные проблемы дистанционного зондирования земли из космоса», Москва, 2004г; 3rd International conference «Optics of Natural Waters», St. Petersburg, 2005; PICES XIV Annual Meeting, Vladivostok, 2005; 5th international Asia-Pacific Conference «Fundamental problems of opto- and microelectronics», Vladivostok, Russia.

Структура диссертации.

В первой главе описано восстановление биооптических параметров морской воды из спектров лазерной индуцированной флуоресценции (ЛИФ). Под биооптическими параметрами в данной работе понимаются все характеристики морской воды, имеющие биологическое происхождение, в той или иной степени, влияющие на цвет или светимость океана. Проводится описание метода лазерной индуцированной флуоресценции, используемого для измерения биооптических характеристик морской воды. Изложен принцип работы и конструкция судового лазерного флуориметра [30, 57], который использовался в натурных измерениях для выполнения задач, сформулированных в данной работе. Рассмотрен измеряемый спектр флуоресценции морской воды, приведены биооптические компоненты, наблюдающиеся в рассматриваемом спектральном диапазоне. Описана процедура разложения спектров ЛИФ морской воды на отдельные биооптические компоненты [41]. Оценены инструментальная и методическая ошибки измерения интенсивности линии флуоресценции хлорофилла «А».

Во второй главе описываются различные методы исследования флуоресценции РОВ. Рассматриваются спектры флуоресценции РОВ при возбуждении излучением с различными длинами волн, в том числе трехмерные спектры флуоресценции, где по. осям отложены длина волны возбуждающего излучения, длина волны испускаемого излучения и интенсивность флуоресценции РОВ (ИФРОВ). По литературным данным проведено описание пиков флуоресценции РОВ, наблюдаемых на трехмерных ЛИФ спектрах. Исследуется возможность проведения калибровок при измерении концентрации РОВ флуоресцентными методами, и проводится анализ природы спектров флуоресценции РОВ.

В третьей главе рассмотрен вопрос о связи между максимумом интенсивности флуоресценции хлорофилла «А» и эталонными измерениями концентрации хлорофилла «А» выполненными в 2001 году в Охотском море. Получившаяся калибровка сравнивается с ранее полученными результатами и калибровками других авторов. Наличие постоянной концентрационной зависимости флуоресценции хлорофилла «А» определяет физический смысл и область практического применения результатов измерения интенсивности флуоресценции хлорофилла «А» в натуральной морской воде. Исследован суточный ход интенсивности флуоресценции хлорофилла «А», измеренной на используемом в работе флуориметре. Проведена оценка влияния эффекта световой адаптации фотосинтетического аппарата клеток фитопланктона на измерение интенсивности флуоресценции хлорофилла «А».

В четвертой главе приведена методика, позволяющая исследовать процессы воспроизводства РОВ клетками фитопланктона. Рассмотрены соотношения между интенсивностью флуоресценции РОВ и концентрацией хлорофилла «А» для трех биопродуктивных районов Мирового океана [12, 40]. Проведена кластеризация фитопланктонных сообществ по соотношению биооптических параметров ЛИФ спектров. Выделены те участки маршрута, где параметры, характеризующие процесс воспроизводства РОВ клетками фитопланктона, были постоянными в пределах ошибки. Исследование корреляционных соотношений биооптических параметров позволило разработать новые подходы к классификации фитопланктонных сообществ по темпам воспроизводства РОВ и оценки их состояния. Данный подход при описании функционирования фитопланктонных сообществ в сочетании с методиками определения химического состава морской воды и клеток фитопланктона [10, 74, 75], соотношения пигментного состава клеток и определения скоростей электронного транспорта в реакции фотосинтеза [53], спутникового исследования структурных особенностей распределения биооптических параметров [7, 34] может позволить проводить более полное описание и более детальную классификацию фитопланктонных сообществ. С помощью разработанной методики использования функциональных зависимостей биооптичсеких компонент возможно исследовать влияние процессов различной природы (включая антропогенные) на состояния фитопланктонных сообществ [1, 86].

В заключении диссертации представлены основные результаты работы.

Список используемых в работе сокращений:

ИФРОВ - интенсивность флуоресценции растворенного органического вещества

ИФРОВуф - ИФРОВ при возбуждении ультрафиолетовым излучением

ИФРОВ532 - ИФРОВ при возбуждении излучением с длиной волны 532нм.

ИФХ - интенсивность флуоресценции хлорофилла «А»

КР - комбинационное рассеяние

ЛИФ - лазерно индуцированная флуоресценция

РОВ - растворенное органическое вещество

Используемые в работе переменные:

С - концентрация хлорофилла «А» () - относительная концентрация ИФРОВ532 Я. - коэффициент корреляции между С и <2 (.2о - фоновое значение О.

V - относительное удельное воспроизводство РОВ / - интенсивность флуоресценции а - амплитуда флуоресценции

Ф - отношение амплитуды флуоресценции хлорофилла «А» к амплитуде флуоресценции КР воды X - длина волны £ - соленость Т - температура

С - концентрация хлорофилла «А», усредненная по выделенному кластеру - относительная концентрация ИФРОВ532, усредненная по выделенному кластеру

Основные результаты, полученные автором и описанные в этой главе молено сформулировать следующим образом.

Метод обработки ЛИФ спектров, разработанный для используемого в работе флуориметра, позволил отделять различные биооптические компоненты друг от друга. При этом были учтены такие специфические особенности использования прибора в судовых условиях, как сбой режима работы сканирующего монохроматора, временами возникающая нестабильная работа лазера, наличие взвеси в прокачиваемой воде и т.п. В основном причиной инструментальных сбоев были наводки и перебои в сети электропитания судна или невнимательность при обслуживании. В данном варианте флуориметра сбои были выявлены только по ходу работы прибора, и поэтому полученные результаты можно было исправить только программными средствами. Также представленная процедура обработки максимально уменьшает «биологические» ошибки, связанные с тем, что отдельные биооптические компоненты могут идентифицироваться, как единый компонент. Например, более ранние процедуры обработки не учитывали флуоресценцию фикоэретрина и флуоресценцию производных хлорофилла «А», и приписывали дополнительно возникающий при их флуоресценции сигнал к флуоресценции РОВ. Это приводило к дополнительным ошибкам при описании процессов воспроизводства РОВ клетками фитопланктона, возникали либо ложные связи РОВ и хлорофилла «А», либо изменялся наклон в анализируемых соотношениях.

Впервые проведен анализ ошибок определения коэффициентов функций, описывающих биооптические компоненты. Показано, что в наиболее интересном диапазоне максимальной интенсивности флуоресценции хлорофилла «А» методическая ошибка не превышает 20%, а в диапазоне 0.5 - 7 отн.ед. (нормированная на КР интенсивность флуоресценции) ошибка менее 10%.

ГЛАВА II. СПЕКТРЫ ФЛУОРЕСЦЕНЦИИ РАСТВОРЕННОГО ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА В МОРСКОЙ ВОДЕ.

Подавляющее количество органического углерода в океане находится в растворенной форме (по разным оценкам 90-98%) [3, 38] и входит в состав растворенного органического вещества (РОВ). РОВ представляют собой очень сложные соединения, только 10-20% этих соединений можно представить в виде отдельных компонентов, остальные 80-90% - это сложные органические смеси, которые нельзя разложить по компонентам и представить в аналитической записи [80, 91].

В работе [71] выделяют четыре основных класса органических соединений, находящихся в морской воде: безазотистое органическое вещество (главным образом углеводы, но не включая сюда липиды); азотосодержащее вещество (в основном это белки и продукты их разложения); липиды (эфиры жирных кислот, обычно содержащие орто-фосфатный радикал); сложные вещества, содержащие гуминовые кислоты. Органические соединения первых трех групп при разрушении и трансформации могут давать гуминовые вещества: фенолы и хиноны; продукты разрушения белков; продукты разрушения углеводов. Помимо этого, в составе океанического РОВ, обнаруживаются различные ферменты, ростовые вещества и витамины.

Вследствие сложной структуры, измерение РОВ представляет очень не простую задачу. Химические методы являются крайне трудоемкими, и также не всегда позволяют измерить концентрацию каждого отдельного компонента, входящего в состав РОВ. Несмотря на то, что оптические методы регистрируют лишь хромофоры и флуорофоры (т.е. соединения поглощающие свет или флуоресцирующие под его действием), тем не менее, для проведения мониторинга процессов воспроизводства органического вещества в морской воде оптические методы являются наиболее подходящими, т.к. они позволяют проводить оперативные измерения на

РОССИЙСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННОЙ БМБЯ140ТШШ больших акваториях. В плане оперативности и больших масштабов, наиболее привлекательным выглядит спутниковое зондирование восходящего излучения, однако, более богатую информацию по органическим веществам, находящимся в океане, дают активные (лазерные) флуоресцентные методы.

В главе описываются различные методы исследования флуоресценции РОВ. Рассматривается возможность проведения калибровок при измерении концентрации РОВ флуоресцентными методами и природа спектров флуоресценции РОВ.

2.1. Определение флуоресцирующей части растворенного органического вещества.

Активное изучение флуоресценции РОВ началось в 70-х годах прошлого столетия. В основном, возбуждение проводилось ламповыми излучателями в ультрафиолетовом и ближнем видимом диапазонах [напр. 21, 29, 106]. Именно при возбуждении ультрафиолетовым излучением свечение РОВ наиболее сильно. В работе [22] проводились попытки по возбуждению флуоресценции РОВ зеленым излучением (Хв03 = 546нм) при этом в области длин волн бООнм появлялось едва заметное свечение, которое выглядело как малая добавка к длинноволновому крылу линии возбуждения. Был сделан вывод о возможности возбуждения свечения РОВ в зеленой области спектра.

В 80-х годах стали появляться работы, где для возбуждения использовались лазеры [15, 46, 79]. Применение Ш:УАО лазера со второй гармоникой (Хв03 = 532нм) позволило наблюдать флуоресценцию РОВ [79] при возбуждении зеленым излучением.

Несмотря на различия техники и методики измерений, результаты определения спектров свечения РОВ неплохо согласуются между собой и в конце 80-х годов [26] обобщил результаты разных авторов следующей формулировкой. Флуоресценция РОВ возбуждается ультрафиолетовым и видимым излучением, а ее спектр представляет собой ассиметричную бесструктурную полосу с полушириной 100-140 нм и максимумом, смещенным на 80-100 нм в сторону больших длин волы относительно линии возбуждения. Однако, стоит отметить, что уже в середине 90-х годов были обнаружены максимумы флуоресценции РОВ, смещенные на 30-60 нм относительно длины волны возбуждающего излучения.

В 90-х годах начали появляться работы, где флуоресценция РОВ исследовалась как функция двух переменных - длин волн собственного свечения и возбуждающего излучения [51, 65, 95]. О необходимости такого подхода говорилось и раньше [26, 56], однако развитие техники долго не позволяло провести подобные измерения. В настоящий момент в многоволновом варианте метода ЛИФ для возбуждения используются ламповые излучатели, которые позволяют исследовать спектры свечения РОВ при длинах волн возбуждения в диапазоне 200-600нм и регистрировать флуоресценцию в диапазоне 200-800нм. Однако, у разработанных на данный момент установок существуют и недостатки, во-первых, использование ламповых излучателей не позволяет эффективно возбуждать флуоресценцию РОВ зеленым излучением, а во-вторых, встречающиеся нам в литературе установки не разработаны в проточном варианте, что не позволяет проводить измерения по ходу судна. Поэтому наши результаты, полученные на проточном флуориметре с возбуждением излучением длиной волны 532нм, представляют особый интерес. Во-первых, мы исследуем пространственное распределение ИФРОВ с высоким разрешением (до 500м), что позволяет получить большую статистику измерений, отслеживать резкие градиенты и изучать малые масштабы распределения ИФРОВ. Во-вторых, при возбуждении зеленым излучением, по всей видимости, флуоресцирует РОВ, который недавно произведен фитопланктонным сообществом, что позволяет исследовать процессы воспроизводства РОВ клетками фитопланктона.

Одной из первых многоволновой метод ЛИФ стала применять американская группа под руководством Кобл. 3-х мерные ЛИФ спектры возбуждались 450 ваттной ксеноновой лампой (рис. 2.1.1) [65]. Кобл на спектрах выделяет следующие типы флуоресценции: гуминоподобная, тирозиноподобная и триптофаноподобная. Гуминоподобная флуоресценция состоит из двух пиков, один возбуждается ультрафиолетовым излучением I пик А), а другой видимым (пик С). Также было отмечено, что в пробах морской воды появляется пик М, который немного сдвинут от пика С и также ассоциируется с гуминоподобной флуоресценцией, но различие в положении пиков С и М говорит о том, что морские гуминовые вещества и гуминовые вещества, поступающие с суши - различны. Пик Р на данном рисунке соответствует флуоресценции хлорофилла «А». Согласно работе [66] пики Р и В ответственны за биологическую активность. Пик N был замечен во время цвета триходесмиума, и Кобл предполагает, что он связан с продукцией нового хромофорного РОВ в морской среде.

Кобл, в основном, использовала многоволновой метод ЛИФ спектроскопии для определения источников РОВ и не проводила экспериментов по деградации и трансформации органического вещества. Такие эксперименты провела французская группа под руководством Парланти [95]. Спектры, измеряемые в его работах, показаны на рис. 2.1.1.6.

Также Парланти ввел другие обозначения пиков, гуминоподобный пик обозначается а и а, в зависимости от длины возбуждения. Морской гуминоподобный пик обозначается |3, тирозиноподобный и триптофаноподобные пики обознаются у и 5, соответственно. Положение и обозначения пиков флуоресценции на трехмерных ЛИФ спектрах представлено в таблице 2.1.1. В другой литературе обычно используются обозначения Кобл, поэтому они и будут в дальнейшем использоваться.

Рис. 2,1.1. Трехмерные спектры ЛИФ, где по осям отложены длина волны возбуждения длина волны испускания (Хис„) и интенсивность флуоресценции (I) а.) Пример 3-х мерного ЛИФ спектра полученного в работе [65]. Интенсивность сигнала нормирована на интенсивность КР воды, б) Пример 3-х мерного ЛИФ спектра, полученного в работе [95]. Интенсивность сигнала дана в количестве отсчетов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В заключение сформулируем следующие результаты, полученные в • данной работе:

1. Разработана процедура обработки спектров лазерной индуцированной флуоресценции, позволяющая получать такие биооптические параметры, как флуоресценция фикоэретрина, хлорофилла «А» и растворенного органического вещества.

2. Проведена оценка инструментальной ошибки флуориметра и ошибки определения концентрации хлорофилла «А» по измерениям интенсивности флуоресценции хлорофилла «А».

3. Исследовано влияние эффекта световой адаптации ф фотосинтетического аппарата клеток фитопланктона на калибровку концентрации хлорофилла «А».

4. Предложен параметр Для оценки ИФРОВ при возбуждении лазерным излучением с длиной волны 532 нм. Показано, что в высокобиопродуктивных водах РОВ, этот параметр однозначно определяется процессами жизнедеятельности фитопланктонных сообществ.

5. Разработана методика использования ЛИФ данных для описания процесса воспроизводства органического вещества клетками фитопланктона.

6. Показано, что относительное удельное воспроизводство флуоресцирующего РОВ падает при достижении критической концентрации

Щ хлорофилла «А» - 8 мкг/л, и определяется в большей степени стадией развития фитопланктонного сообщества, а не местоположением, где оно функционирует.

7. На основе проведенного анализа соотношения биооптических компонент спектров ЛИФ, показано, что величина коэффициента корреляции К, между значениями ИФРОВ532 и концентрации хлорофилла «А», более 0,5 на акваториях, где концентрация хлорофилла «А» превышает 5 мкг/л.

1. Аксененко М.Д., Бараночников М.Л. Справочник. Приемники оптического излучения. М.: Радио и связь. 1987.296с.

2. Атлантический океан /Под ред. O.K. Леонтьева. М.: Мысль, 1977. 296 с.

3. Беккиев А.Ю., Гоголинская Т.А., Фадеев В.В. Одновременное определение температуры и солености морской воды методом лазерной КР~ спектроскопи. ДАН, Физика. 1983. Т. 271, № 4, с. 849-853.

4. Биологическая продуктивность океана. Биология океана. Т. 2. /Под ред. М.Е. Виноградова. М.: Наука, 1977. 399 с.

5. Букин O.A., Пермяков М.С., Майор А.Ю., Скороход Г.В. и др., Связь параметров флуоресценции морской воды, возбуждаемых лазернымизлучением, с типом морских вод, Оптика атмосферы и океана, 13, №11(2000)

6. Букин O.A., Пермяков М.С., Майор А.Ю., Сагалаев С.Г. и др. О калибровке метода лазерной флуориметрии при измерении концентрации хлорофилла А // Оптика атмосферы и океана 2001- т. 14. №3- С. 28-32.

7. Георгиев Г., Николов Ж., Стаменов К. и др. Флуоресцентный анализ органических веществ в водных средах при возбуждении азотного лазера //

8. В ich.: Тезисы III конф. по люминисценции, Сегед (ВНР). 1979. — С. 159162.

9. Глушков С.М., Фадеев В.В., Филиппова Е.М., Чубаров В.В. Проблемы лазерной флюорометрии органических примесей в природных водах // Оптика атмосферы и океана. 1994. Т. 7. № 4. С. 433-449.

10. Гандин Л.С., Каган P.JI. Статистические методы интерпретации метеорологических данных. Л.: Гидрометеоиздат, 1976. - 360 с.

11. Горюнова C.B. Особенности процессов автолиза у диатомовых водорослей. Труды института микробиологии АН СССР, 1958, т.5, с. 53-62.

12. ГОСТ 9411-81 Стекло оптическое цветное // М.: Издательство стандартов. 68стр.

13. Демидов A.A., Баулин Е.В., Фадеев В.В., Шур Л.А. Применение лазерной спектрофлуориметрии для измерения концентрации пигментов морского фитопланктона//Океанология. 1981. Т. 21. № 1. С. 174-179.

14. Каменкович В .В., Корт В.Г., Монин A.C. Изменчивость Мирового океана. -Л.: Гидрометеоиздат, 1974-261с.

15. Карабашев Г.С., Зангалис К.П. Некоторые результаты исследования спектральных закономерностей фотолюминесценции морской воды // Изв. АН СССР, Физика атмосферы и океана. 1971. т. 7, № 9. - С. 1012-1015.

16. Карабашев Г.С., Соловьев А.Н., Зангалис К.П. Фотолюминесценция вод Атлантического и Тихого океанов // В кн.: Гидрофизические и гидрооптические исследования в Атлантическом и Тихом океанах. М.: Наука, 1974, С. 143-153.

17. Карабашев Г.С., Соловьев А.Н. Закономерности пространственно-временной изменчивости интенсивности флуоресценции пигментов в клетках живого фитопланктона// Труды ИОАН. 1975. т. 102. — С. 89-93.

18. Карабашев Г.С., Соловьев А.Н. Суточный ритм флуоресценции хлорофилла фитопланктона в деятельном слое океана // Океанология. 1976. т. 16, №2, С. 316-323.

19. Карабашев Г.С., Агатова А.И. О соотношении интенсивности флуоресценции и концентрации растворенных органических веществ в водах океана // Океанология. 1984. Т. 24. № 6. С. 906 909.

20. Карабашев Г.С. Флуоресценция в океане. JL: Гидрометеоиздат, 1987. 200 с.

21. Карнаухов В.Н. Спектральный анализ в клеточном мониторинге состояния окружающей среды. М.: Наука, 2004. 186 с.

22. Клышко Д.Н., Фадеев В.В. «Дистанционное определение концентрации примеси методом лазерной спектроскопии по комбинационному рассеянию». ДАН СССР. 1978. Т. 238. С.320-323.Ч

23. Люцарев C.B. Методика исследования свойств флуоресцирующих соединений морской воды // В кн.: Методы рыбохозяйственных химикоокеанографических исследований. 1968. Ч. 2. М., ВНИРО. С. 6991.

24. Майор А.Ю., Букин O.A., Павлов А.Н., Киселев В.Д. Судовой лазерный флуориметр для исследования спектров флуоресценции морской воды // Приборы и техника экспиремента. 2001. № 4. - С. 151-154.

25. Мартынов H.H., Иванов А.П. Matlab 5.x. Вычисления, визуализация, программирование. М.: Кудиц-образ, 2000. 322с.

26. Паркер С. Фотолюминесценция растворов. Пер. с англ. М.: Мир, 1972. 510 с.

27. Пермяков М.С., Акмайкин Д.А., Салюк П.А., Букин O.A., Тархова Т.И., Смолин П.В. Влияние тайфунов на поля концентрации хлорофилла «А» по данным сканера цвета морской воды SeaWiFS // Исследование Земли из космоса. 2005.-№ 6. - С. 56-62.

28. Подопригора E.JI., Чистяков Т.С., Хованец В.А., Пермяков М.С. Геоинформационная система мониторинга океана и атмосферы // Исследовано в России. 2003. № 128. С. 1517-1526. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2003/128.pdf

29. Потемкин В.Г. Система инженерных и научных расчетов Matlab 5.x. Том 1.- М.: Диалог-МИФИ, 1999. 366с.

30. Потемкин В.Г. Система инженерных и научных расчетов Matlab 5.x. Том 2.- М.: Диалог-МИФИ, 1999. 304с.

31. Романкевич Е.А. Геохимия органического вещества в океане. М.: Наука, 1977.256 с.

32. Рубин А.Б. Биофизические методы в экологическом мониторинге // Соросовский образовательный журнал. 2000. Т. 6. № 4. С. 7-13.

33. Скопинцев Б.А. Новые данные о природе органического вещества океанических вод и его энергетические ресурсы // Океанология. 1981. Т. 21. №5. С. 821-830.

34. Тихий океан /Под ред. O.K. Леонтьева. М.: Мысль, 1982. 316 с.

35. Фадеев В.В. Дистанционное лазерное зондирования фотосинтезирующих организмов. Квантовая электроника, 1978, Т.5, №10, с.2221-2226.

36. Фадеев В.В., Демидов А.А., Клышко Д.Н., Кобленц-Мишке О.И., Фортус

37. B.М. Применение лазерной спектроскопии для определения пигментов морского фитопланктона // Труды института океанологии. 1980. Т.90.1. C.219-234.

38. Фадеев В.В., Чекалюк A.M., Чубаров В.В. Нелинейная лазерная флуориметрия сложных органических соединений // Доклады АН СССР. -1982. т. 262, №2. С. 338-341.

39. Шунтов В.Г. Биология дальневосточных морей России. Том1. -Владивосток: Тихоокеанский научно-исследовательский рыбохозяйственный центр (ТИНРО-центр), 2001. 580с.

40. Alvarez-Salgado Х.А., Doval M.D., Perez F.F. Dissolved organic matter in shelf waters off the Ria de Vigo (NW Iberian upwelling system) // Journal of Marine Systems. 1999. V.18. P.383-394.

41. Anderson J.M., Barrett J. Light-harvesting pigment-protein complexes of algae. In: Staehelin L.A., Arntzen С J. (Eds.), Photosynthesis: III. Encl. Plant Phys. 19 Springer-Verlag, Berlin, 1986. pp.269-285, 19.

42. Armstrong F.A., Williams P.M., Stickland J.D.H. Photooxidation of organic matter in sea water by ultraviolet radiation, analytical and other application // Nature. 1966. № 5048. - P. 481-483.

43. Babichenko S., Kaitala S., Leeben A., Poryvlcina L., Seppala J. Phytoplankton pigments and dissolved organic matter distribution in the Gulf of Riga // Journal of Marine Systems. 1999. V.23. P. 69-82.

44. Barbini R., Colao F., Fantoni R., Palucci A., Ribezzo S., Lazzara L. Spectrofluorometric phytoplankton and sea water characterization during the XIII Italian Antarctic mission // Proceedings of SPIE. 1999. - V.3821. - P.237-247.

45. Barbini R., Colao F., Fantoni R., Palucci A., Ribezzo S. Differential lidar fluorescensor system used for phytoplankton bloom and sea water quality monitoring in Antarctica. Int. Journal of remote sensing. V.22, #2-3, 2001. P.369-384.

46. Bristow M., Nielsen D., Bundy D., Furtek R. Use of water Raman emission to correct airborne laser fluorosensor data for effects of water optical attenuation. Applied Optics. 1981. v. 20. N 17, p. 2889-2906.

47. Brown J.S. Forms of chlorophyll in vivo // Ann. Rev. Plant Physiol. 1972. V.23. p.73-86.

48. Brown M. Laboratory measurements of fluorescence spectra of Baltic waters // Rep. Inst. Fysislc Oceanografi Univ. Copenhagen. 1974. №29. - P. 21.

49. Burdige D.J., Kline S.W., Chen W. Fluorescent dissolved organic matter in marine sediment pore waters // Marine Chemistry. 2004. V.89. P.289- 311.

50. Callahan J., Dai M., Chen R.F., Lib X., Lub Z., Huang W. Distribution of dissolved organic matter in the Pearl River Estuary, China // Marine Chemistry. 2004 V.89.P.211-224.

51. Carlson C.A., Hansell D.A., Peltzer E.T., Smith Jr. W.O. Stocks and dynamics of dissolved and particulate organic matter in the southern Ross Sea, Antarctica // Deep-Sea Research II. 2000. V.47. P.3201-3225.

52. Chen R.F., Gardner G.B. High-resolution measurements of chromophoric dissolved organic matter in the Mississippi and Atchafalaya River plume regions // Marine Chemistry. 2004. V.89 P. 103- 125.

53. Clark C.D., Jimenez-Morais J., Jones G., Zanardi-Lamardo E., Moore C.A., Zika R.G. A time-resolved fluorescence study of dissolved organic matter in a riverine to marine transition zone // Marine Chemistry. 2002. V.78. P.121-135.

54. Cleveland W.S., Grosse E. Computational methods for local regression // Statistics and Computing. 1991. №1. P.47-62.

55. Coble P.G. Characterization of marine and terrestrial DOM in seawater using excitation-emission matrix spectroscopy // Marine Chemistry. 1996. V. 51. P. 325-346.

56. Coble P.G., Del Castillo C.E., Avril B. Distribution and optical properties of CDOM in the Arabian Sea during the 1995 Southwest Monsoon // Deep-Sea Research II. 1998. V.45. P.2195-2223.

57. Darzi M., Patt F.S., Firestone J.K., Schieber B.D., Kumar L.V., Ilg D.A. SeaWiFS operational archive product specifications, version 2.8 // SeaWiFS Project Code 970.2, NASA Goddard Space Flight Center. 1995. 16 November. 92p.

58. De Souza-Sierra M.M., Donard O.F.X., Lamotte. Spectral identification and behavior of dissolved organic fluorescent material during estuarine mixing processes // Marine Chemistry. 1997. v. 58. P. 51-58.

59. Determann S., Reuter R., Wagner P., Willkomm R. Fluorescence matter in the eastern Atlantic Ocean: part 1. Method of measurement and near-surface distribution // Deep-Sea Research. 1994. v. 41. - P. 659-675.

60. Duhamel, P., Vetterli M. Fast Fourier Transforms: A Tutorial Review and a State of the Art // Signal Processing. 1990. v. 19. - P. 259-299.

61. Duursma E.K. The dissolved organic constituents of sea water. Chemical Oceanography, v.l, 4, Acad. Press., 1965.

62. Ferrari G.M. The relationship between chromophoric dissolved organic matter and dissolved organic carbon in the European Atlantic coastal area and in the West Mediterranean Sea (Gulf of Lions) // Marine Chemistry. 2000. V.70. P.339-357.

63. Govindjee, Briantais J.M. Chlorophyll B fluorescence and an emission band at 700 nm at room temperature in green algae // FEBS Letters. 1972. V.19. №4. P.278-280.

64. Hedges J.I. Global biogeochemical cycles: progress and problems // Marine Chemistry. 1992. V. 29. P. 67-93.

65. Hilton J., Rigg E., Jaworski G. Algal identification using in vivo fluorescence spectra // J. Plankton Res. 1989. V.ll. P.65-74.

66. Hoge F.E., Swift R.N. Airborne simultaneous spectroscopic detection of laser-induced water Raman baclcscatter and fluorescence from chlorophyll a and other naturally occurring pigments // Applied Optics. 1981. V. 20. № 18. P. 3197-3205.

67. Hopkinson Jr. C.S., Joseph J.V., Amy N. Decomposition of dissolved organic matter from the continental margin // Deep-Sea Research II. 2002. V.49. P. 44614478.

68. Kahler P., Koeve W. Marine dissolved organic matter: can its C:N ratio explain carbon overconsumption? // Deep-Sea Research I. 2001. V.48. P.49-62.

69. Kiefer D.A. Chlorophyll a fluorescence in marine centric diatoms: response of chloroplasts to light and nutrient stress // Mar. Biol. 1973. v. 23. - P. 39-46.

70. Klinkhammer G.P., McManus J., Colbert D., Rudnicki M.D. Behavior of terrestrial dissolved organic matter at the continent-ocean boundary from highresolution distributions // Geocliimica et Cosmochimica Acta. 2000. V.64. №.16. P.2765-2774.

71. Lim, Jae S., Two-Dimensional Signal and Image Processing, Englewood Cliffs, NJ, Prentice Hall, 1990, pp. 469-476.

72. Lin I., Liu W.T., Wu C.C., Wong G.T.F., Hu C., Chen Z., Liang Y., Yang Y., Liu K.K. New evidence for enhanced ocean primary production triggered by tropical cyclone // Geophys. Res. Let. 2003. V.30. №13. 1718. doi: 10.1029/2003GL017141. P.51-1 -51-4.

73. Loftus M.E., Seliger H.H. Some limitations of the in vivo fluorescence technique // Chesapeake Science. 1975. - v. 16, № 2. - P. 79-92.

74. Marquardt D. An Algorithm for Least-Squares Estimation of Nonlinear Parameters//SIAM Journal Applied Math. 1963. V. 11. P. 431-441.

75. McKee D., Cunningham A., Jones K. Simultaneous Measurements of Fluorescence and Beam Attenuation: Instrument Characterization and Interpretation of Signals from Stratified Coastal Waters Estuarine // Coastal and Shelf Science. 1999. V.48. P.51-58.

76. Mopper K., Schultz C.A. Fluorescence as a possible tool for studying the nature and water column distribution of DOC components // Marine Chemistry. 1993. v. 41.-P. 229-238.

77. Munster. Concentrations and fluxes of organic carbon substances in the aquatic environment //Antonie van Leeuwenhoek. 1993. V. 63. № 3. P. 243-274.

78. Nieke B., Reuter R., Heuermann R, Wang H., Babin M., Therriault J.C. Light absorption and fluorescence properties of chromophoric dissolved organic matter

79. CDOM), in the St. Lawrence Estuary (Case 2 waters) // Continental Shelf Research. 1997. V.17. №.3. P.235-252.

80. O'Reilly J. E., Maritorena S., Mitchell B. G., Siegle D. A., Carder K. L., Garver S. A., Kahru M., and McClain C. Ocean color chlorophyll algorithms for SeaWiFS. Journal of Geophysical Research, v. 103, № CI 1. October 15. 1998. p. 24,937-24,953

81. Parlanti E., Worz K., Geoffroy L., Lamotte M. Dissolved organic matter fluorescence spectroscopy as a tool to estimate biological activity in a coastal zone submitted to anthropogenic inputs // Organic Geochemistry. 2000. V. 31. P. 1756-1781.

82. Parsons T., Talcahashi M. Biological oceanographic processes L.: Pergamon Press, 1973.-186p.

83. Pinto A.M.F., von Sperling E., Moreira R.M. Chlorophyll «A» determination via continuous measurement of plankton fluorescence: Methodology development // Wat. Res. 2001. V.35. №.16. P.3977-3981.

84. Rochelle-Newall E.J., Fisher T.R. Chromophoric dissolved organic matter and dissolved organic carbon in Chesapeake Bay. // Marine Chemistry 2002. V.77 P.23-41.

85. Salyuk P.A., Akmaykin D.A. Developing of the regional ocean color chlorophyll-a algorithms for SeaWiFS for Okhotsk Sea // Third Workshop on Okhotsk Sea and Adjacent Areas by PICES, Vladivostok, 2003. P. 67.

86. Salyuk P.A., Bukin O.A., Permyakov M.S. Investigation of the organic matter cycles in the ocean by LIF spectroscopy // Joint International Symposium "Atmospheric and Ocean Optics. Atmospheric Physics", Tomsk, Russia, 2004, P.166.

87. Salyuk P.A., Bukin O.A., Permyakov M.S. Using of laser induced fluorescence method for phytoplankton communities describing // SPIE proceedings. 2005. -Vol. 5851.-P. 232-236.

88. Schlitzer R. Ocean Data View. http://www.awi-bremerhaven.de/GEO/ODV, 2003

89. Traganza E.D. Fluorescence excitation and emission spectra of dissolved organic matter in sea water // Bull. Mar. Sci. 1969. v. 19. - P. 897-904.

90. Watras C.J., Baker A.L. Detection of planktonic cyanobacteria by tandem in vivo fluorometry // Hydrobiologia 1988. V.169. P.77-84.

91. Yentsch C.S., Yentsch C.M. Fluorescent spectral signatures: The characterization of phytoplankton populations by the use of excitation and emission spectra // J. Mar. Res. 1979. V.37. P.471^83.