Метод и аппаратурные комплексы для исследования воздействия атмосферного аэрозоля на биооптические параметры морской воды тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ

На правах рукописи

00345027Э

Крикун Владимир Александрович

Метод и аппаратурные комплексы для исследования воздействия

атмосферного аэрозоля на биооптические параметры морской воды.

(

01.04.05-Оптика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Владивосток - 2008

003450279

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

Ведущая организация Дальневосточный государственный университет

Защита состоится 12 ноября 2008 года в 16 часов на заседании диссертационного совета ДМ 218.003.01 при Дальневосточном государственном университете путей сообщения по адресу: 680021, Хабаровск, ул. Серышева, 47, конференц-зал второго учебного корпуса.

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

Автореферат разослан 10 октября 2008 года.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Луговой Владимир Александрович

кандидат физико-математических наук, доцент Акмайкин Денис Александрович

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

Шабалина Т.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ?

ч

Актуальность работы. В настоящее время детального рассмотрения требует проблема изучения воздействия климатических изменений, наблюдающихся на планете, на морские экосистемы. Атмосферный аэрозоль является радиационно-активной компонентой атмосферы и существенным образом влияет на радиационный баланс в атмосфере. Однако, наряду с этим, аэрозоль влияет активно на фитопланктонные сообщества, путём выноса минеральных веществ в верхний фотический слой океана и воздействия на фотосинтетическую активность клеток фитопланктона. Кроме того, попадающие в фотический слой, взвешенные частицы могут значительно изменить биооптические параметры морской воды.

Исследования воздействия атмосферных аэрозолей на состояние фитопланктонных сообществ оптическими методами, возможно проводить посредством изучения динамики микрофизических параметров аэрозоля методами лидарного зондирования, совместно с исследованиями биооптических параметров морской воды методами лазерной индуцированной флуоресценции (ЛИФ). Подобные исследования необходимо осуществлять с применением аппаратурных комплексов, обеспечивающих высокое пространственно-временное и спектральное разрешение при регистрации слабых световых потоков. Поэтому, актуальной является разработка лидарной регистрирующей аппаратуры, обеспечивающей режим счёта фотонов с раздельной регистрацией одноэлектронных импульсов, следующих с временными интервалами порядка 10нс, а так же спектральной системы с одновременной регистрацией спектров лазерной индуцированной флуоресценции в широком диапазоне длин волн.

Целью настоящей работы является применение оперативных оптических методов и разработка аппаратурного комплекса для исследования воздействия атмосферного континентального аэрозоля на биооптические параметры морской воды.

В работе были 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.

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

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

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

Научная новизна работы.

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.

Практическая значимость работы.

1. Создана действующая модель счётчика одноэлектронных импульсов, позволяющего регистрировать обратно рассеянное излучение от высот 200м до 40000м с минимальным пространственным разрешением 120м. При 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 40км в нескольких морских экспедициях. \

2. Создан компактный судовой флуоримегр, 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 2006г. по 2007г. 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 2006году.

Основные защищаемые 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 200м до 40000м.

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 50м и корректно устанавливать связь между биооптическими параметрами спектра ЛИФ органического вещества в морской воде.

Аппробация работы.

Результаты исследований по теме диссертационной работы были представлены на четырех конференциях в г. Томске и г. Владивостоке.

Личный вклад соискателя

Автор проводил исследования возможностей регистрации слабых световых сигналов и разработку на этой основе соответствующих приборов, а именно: компактного лазерного флуориметра на базе полихроматора, многоканального счетчика одноэлектронных импульсов. Проводил экспериментальные и теоретические исследования возможностей разработанных приборов. Осуществлял изготовление макетов разработанного оборудования и проводил их тестирование. Занимался разработкой малогабаритного судового и стационарного стратосферного лидара.

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемой литературы. Работа изложена на 140 страницах, включая 17 таблиц, 46 рисунков и список литературы, содержащий 119 наименований.

Краткое содержание диссертации.

Во введении обозначена актуальность темы диссертационной работы. Приведены положения, выносимые на защиту, показана научная новизна и практическая значимость полученных результатов. Приводится краткий обзор результатов, которые получены другими авторами по данной тематике.

В первой главе описаны основные особенности регистрации оптическими методами процессов протекающих в атмосфере и океане. Кратко дан обзор оптических методов и приборов, при помощи которых проводятся исследования атмосферы и океана. Приводится краткий обзор результатов полученных другими авторами.

В параграфе 1.1. Рассмотрены основные факторы, которые воздействуют на гидрооптические параметры морской воды. Среди гидрооптических параметров были выделены биооптические параметры -характеристики, природа которых связана с фитопланктоном и органическими веществами, образовавшимися в результате его деятельности. Кроме того, в этом параграфе рассмотрены параметры и минеральный состав аэрозолей, которые осаждаются на акватории японского моря в результате пылевых выносов из пустыни Гоби.

В параграфе 1.2 представлены некоторые особенности работы систем регистрации слабых оптических сигналов. В частности рассмотрены основные характеристики фотоэлектронных умножителей (ФЭУ), отдельное

внимание уделено регистрации предельно слабых светивых потоков в режиме счета фотонов. Также, рассмотрены возможности использования в системах регистрации слабых световых потоков лавинных «фотодиодов, как альтернативы фотоэлектронным умножителям. В данном параграфе введены две модели аппроксимирующие световые характеристики ФЭУ, работающего в счетном режиме.

В одной предполагается, что после каждого зарегистрированного фотона имеется фиксированное мертвое время г и все фотоны, попавшие в этот интервал, не регистрируются:

Ы = №7(1+№Ч) (1)

где N - регистрируемая скорость счета импульсов; - истинная скорость счета, пропорциональная световому потоку.

В другой модели фотон, попавший в интервал 1, продлевает мертвое время еще на 1:

Ы=Ы*ехр(-Ы*1) (2)

Данными моделями хорошо апроксимируется реальная световая характеристика использованного в счетчиках фотонов усшштеля-

Рис.1. Световые

Характеристики. Сплошная толстая линия -световая характеристика по формуле (1); сплошная тонкая линия -световая характеристика по формуле (2); точки - реальная характеристика усилителя -дискриминатора.

В параграфе 13 описаны приборы различных классов, предназначенные для регистрации различных гидрооптических параметров морской воды. Кроме того, в данном параграфе обозначена проблема регистрации слабых световых излучений лазерной индуцированной флуоресценции и намечены пути ее решения.

Во второй главе описываются современные промышленно изготовленные, устройства регистрации, применяемые в составе аэрозольных лидаров. Приводятся их основные технические характеристики и методы обработки принимаемого сигнала.

В параграфе 2.1 Описываются принципы действия и характеристики нескольких современных счетчиков фотонов, приводятся их

дискриминатора (см.рис.1).

функциональные схемы и рассматриваются основные достоинства и недостатки.

В параграфе 2.2. Описывается разработанный в ходе выполнения работы счетчик фотонов. Функционально прибор состоит из блока питания, платы управления и от одной до четырех плат-счетчиков. Счетчик способен раздельно регистрировать фотоны поступающие с временным интервалом не мене 8нс. В разработанном приборе используется метод "двойного счетчика", благодаря чему регистрация информации происходит непрерывно по всей трассе зондирования. На рис.2 представлена функциональная схема счетчика.

Метод "двойного счетчика" заключается в том, что вся трасса зондирования делится на отдельные равные временные промежутки (стробы), минимальная длительность которых составляет 400нс. В свою очередь, стробы подразделяются на четные и нечетные. Все фотоны поступающие в четный временной интервал, регистрируются четным счетчиком, в этот же временной интервал нечетный счетчик осуществляет запись информации в память. И наоборот, в нечетный интервал регистрацию проводит нечетный счетчик, а четный записывает информацию в память.

Рис.2. Блок схема платы-счетчика:

1- преобразователь логических уровней ЭСЛ-ТТЛ; 2 - селектор импульсов;

3-восьмиразрядный счетчик импульсов четного строба;

4-восьмиразрядный счетчик импульсов нечетного строба; 5 - счетчик адреса памяти; 6 -мультиплексор; 7 - блок памяти (ОЗУ); 8 - буфер.

В параграфе 23 описываются особенности программного кода, который был использован в микроконтроллере, создающем управляющие сигналы для плат счетчиков. Программный код и режим работы контроллера были тщательно оптимизированы, для того, чтобы достигнуть минимальной длительности стробирующего импульса в 400нс, при частоте тактирования контроллера 40МГц. Также в данном пара1рафе был произведен теоретический расчет "мертвого времени" счетчика фотонов т.е. времени в течении которого ни четный ни нечетный счетчик не производят регистрацию. "Мертвое время" составило 5,4 не, что является хорошим

результатом, если учесть, что длительность одноэлектронных импульсов получаемых с большинства ФЭУ как правило, не менее 8нс.

В параграфе 2.4 представлена сравнительная таблица в которой параметры всех рассмотренных счетчиков фотонов сведены воедино.

В параграфе 2.5 приведены примеры работы счетчика одноэлектронных импульсов в составе аэрозольного лидара с заданными параметрами. На основании световой характеристики (рис.1) рассчитана предельная мощность светового потока, при которой будет возникать значительная ошибка регистрации:

где Ь=6,62*10"34 Дж*с - постоянная Планка, V- частота излучения, <3 -квантовая эффективность детектирования ФЭУ на данной длине волны, п -количество фотонов прилетевших за время т.

Из формулы (3) и параметров ослабления оптических элементов системы, была получена оценка предельно - регистрируемой мощности оптического излучения в разработанной лидарной системе на уровне Р= 2*10'9Вт.

В третьей главе описаны принципы измерения ЛИФ спектров морской воды и приведены характеристики современных приборов регистрирующих эти спектры.

В параграфе 3.1 описан принцип действия проточного лазерного флуориметра построенного на базе сканирующего монохроматора. Также, в данном параграфе рассмотрены достоинства и недостатки различных длин волн возбуждающего излучения.

В параграфе 3.2 описан принцип действия разработанного компактного судовго лазерного флуориметра (рис.З). Излучение лазера, попадает в проточную кювету, где индуцирует флуоресценцию забортной воды, прокачиваемой через кювету посредством насоса, через затемненные шланги, обеспечивающие световую адаптацию фитопланктона. Сигнал флуоресценции через фильтр ОС-12 попадает во входную щель полихроматора. Полихроматор раскладывает излучение в спектр и строит изображение этого спектра на оптоволоконном входе электронно-оптического преобразователя (ЭОП) после чего изображение, посредством согласующей оптической системы подается на ГОС матрицу приемной камеры. АЦП камеры преобразует изображение в цифровую форму и через специальную интерфейсную плату передает его в память ПК.

Рис. 3.Блок-схема компактного лазерного флуориметра: 1 -ND:YAG лазер 532нм, 2-блок питания; 3- оптическая кювета; 4- фильтр ОС-12; 5-полихроматор МДП-1; 6-оптический фильтр КС18;8-ЭОП ЭПМ 47Г, 7- блок питания ЭОП, 9 согласующая оптическая система, 10-ПЗС камера PCO pixel Fly, 11- компьютер с интерфейсной платой, 12-затемненные шланги, 13-Насос, 14- отверстие забора забортной воды.

В параграфе 3.3 представлена сравнительная таблица в которой приведены технические параметры нескольких современных систем исследования ЛИФ спектров морской воды, а также представлены их минимальные обнаружимые концентрации хлорофилла "А".

В четвертой главе представлены результаты зондирования атмосферного аэрозоля, а также ЛИФ спектрометрии морской воды, которые были получены при помощи разработанных устройств.

В параграфе 4.1 описаны результаты использования счетчика одноэлектронных импульсов в составе судового лидара (рис.4), при проведении зондирования атмосферы над морской поверхностью в ходе экспедиций в Японском, Восточно-Китайском, Охотском и Японском море.

Рис.4. Судовой лидар. 1 - корпус судна; 2 - призма; 3 - приемное зеркало; 4, 20 - нагревательные элементы; 5 - Ш'.УАС лазер; 6 - приемный объектив; 7 - интерференционный светофильтр; 8 - делительная пластина; 9 - диафрагма; 10, 11 - световоды; 12, 13 - фотоумножители; 14 -блоки питания ФЭУ; 15 - аналогово-цифровой преобразователь ЛА-Н10М6; 16 -многоканальный счетчик фотонов; 17 - блок питания лазера; 18 -компьютер.

Также в параграфе приведены результаты использования разработанных счетчиков фотонов в составе стационарного лидара (рис.5).

Рис.5, а - блок - схема стратосферного лидара: 1- собирающая линза ё=400мм; 2,3,5- зеркала;4,6- рассеивающие линзы; 7-ФЭУ; б -восстановленный профиль распределения аэрозольных слоев полученный при помощи стационарного лидара.

В параграфе 4.2. Приведено описание метода калибровки спектральной характеристики разработанного компактного лазерного флуориметра. Калибровка осуществлялась по спектру лампы накаливания ОСК-2ЦЛ. Привязка полученного флуориметром спектрального изображения к длинам волн осуществлялась при помощи неоновой калибровочной лампы. В параграфе приведены теоретические расчеты минимального отношения сигнал/шум и минимальной регистрируемой прибором освещенности.

Расчет этих параметров производился на основании технических данных камеры PCO PixelFly, ЭОП ЭПМ-47Г и фотографий (рис.6). На представленных фотографиях цвет каждой отдельной точки отражает количество накопленного в соответствующей ячейке ПЗС камеры заряда. Перед регистрацией сигнала флуоресценции, каждый раз сохраняется изображение содержащее информацию о собственных шумах системы (рис.6а), после регистрации сигнала флуоресценции (рис.бб), изображение с шумами системы вычитается из изображения содержащего полезный сигнал и спектр флуоресценции восстанавливается (рис.бв). Как показывает практика использования данного прибора, если средняя интенсивность шума составляет более 75% от средней интенсивности полезного сигнала -восстановление спектра становится невозможным.

Анализируемый район

Рис.6, а - фотография шумов флуориметра; б - фотография спектра флуоресценции с шумами; в- фотография спектра флуоресценции без шумов.

В параграфе 4.3 Приведены результаты исследования воздействия на фитопланктонные сообщества пылевой бури прошедшей над заливом Петра Великого в 2006г. при проведении исследований данные, полученные при работе компактного судового флуориметра и счетчика одноэлектронных импульсов, использовались совместно со спутниковыми данными Modis Aqua. Замеры производились в двух районах, первый район — прибрежный, находится в полузакрытом состоянии и не изолирован от поступления тирогенного материала, второй район - открытые шельфовые воды (Рис.7).

130°Е 131t 132°Е

131.5°Е 132°Е 132.5°Е 133°Е

■

Лидарная станция 43'1х|! - р Владивосток

Рис.7 а - Первый район; б - второй район (шельфовые воды).

Наблюдения проводились с апреля по июнь 2006г. На рис. 8 представлены результаты восстановления концентрации хлорофилла "А" и АОТ для двух обозначенных выше районов. На рис.9 представлены корреляционные функции для обоих районов. Максимальные значения коэффициента корреляции составляют 0,5 и 0,6 при сдвиге временного хода концентрации

хлорофилла "А" на 80 и 40 часов влево соответственно. Необходимо отметить, что процесс цветения водорослей протекает совершенно по разному, в первом и втором районах. Во втором районе (открытые шельфовые воды) весеннее цветение водорослей протекает по "классическому" сценарию - монотонное возрастание концентрации с марта по конец мая и последующее уменьшение в июне. В первом же районе весенний пик цветения не столь явно выражен как во втором районе, и концентрация хлорофилла "А" держится примерно на постоянном уровне в период цветения.

0.6

-0.4

90.2

1 —о—2

а'' о

« / К

1/ / да. Г Г •

/ г У

04

05

Месяц 2006 г.

03 04 05 06 Месяц 2006 г.

Рис.8 Временные ходы А - АОТ532 (кривая 1) и концентрации Хлорофилла "А" (кривая 2) в первом районе (слева). Б - АОТ869 (М(ЮГ§ кривая - 1) и концентрации хлорофилла А (М(Ю18 - кривая 2) во втором районе (справа).

-3 0 3 дни

Рис. 9 Зависимость коэффициента корреляции от смещения временного ряда концентрации хлорофилла "А" в первом (слева) и втором (справа) районах.

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 120м. 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 2006г.

СПИСОК ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЙ АВТОРА

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 №47099 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 №53016 зарегистрированный в реестре полезных моделей РФ.03.04.2006.

5. Майор А.Ю., Букин O.A., Крикун В.А., Кульчин Ю.Н., Вознесенский С.С. Погружной лазерный судовой спектрометр // Патент на полезную модель №57009 зарегистрированный в государственном реестре РФ. 27.09.2006.

6. Bukin O.A., Pavlov A.N., Shmirko К.А., 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 8Л, Ластовская H.A., Киселев В.Д. Судовой флуориметр для измерения биооптических характеристик морской воды. // Электронный журнал "Исследовано в России" 2006.Т.9.№091.С.872-874. http://zhumal.ape.relam.ru/articles/2006/091.pdf

8. Нагорный ИХ, Майор А.Ю. Крикун В.А. Многоканальные счетчики одноэлектронных импульсов // Электронный журнал "Исследовано в России" 2005.Т.8. №088.С.926-932. http://zhurnaI.ane.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 АЛ., 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.

Крикун Владимир Александрович

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

01.04.05-Оптика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Подписано к печати 09.10.2008г. Уч.-изд.л. 1,0 Усл.печл. 1,5

Формат 60x84/16 Тираж ЮОэкз. Заказ №

Отпечатано в издательско-полиграфическом комплексе Тихоокеанского океанологического института им. Ильичева 690041, г.Владивосток, ул.Балтийская, 43.

Введение

Глава I. Особенности регистрации оптическими методами процессов протекающих в атмосфере и океане

1.1 Лазерные методы и технические средства исследования атмосферного аэрозоля и его воздействия на фитопланктонные сообщества

1.2 Особенности работы систем регистрации при лидарном зондировании атмосферы

1.3. Особенности регистрации спектров лазерной индуцированной флуоресценции

Глава П. Устройства для регистрации слабых световых потоков.

2.1 Описание принципов действия и характеристик современных счетчиков фотонов.

2.2 Описание разработанного многоканального счетчика одно-электронных импульсов с фотоэлектронного умножителя

2.3 Особенности использования микроконтроллера Р1С18Р452 в задачах регистрации одноэлектронных импульсов.

2.4. Сравнение технических характеристик Счетчиков фотонов

2.5. Примеры работы счётчика

Глава Ш. Измерения спектров ЛИФ морской воды и органического вещества, присутствующего в морской воде в различных формах

3.1 Современные флуориметры, их технические характеристики и применение

3.2 Компактный судовой лазерный флуориметр для оперативного измерения спектров лазерной индуцированной флуоресценции органического вещества

3.3 Сравнение характеристик современных флуориметров

Глава IV. Использование разработанных лазерных измерительных систем для мониторинга океана и атмосферы

4.1 Лидарное зондирование атмосферного аэрозоля, исследование динамики аэрозольных слоев в атмосфере

4.2 Использование компактного судового флуориметра для определения биооптических параметров и содержания хлорофилла А в морской воде

4.3 Использование разработанного комплекса для исследования воздействия аэрозольных выносов на продуктивность фитопланктонных сообществ 116 Заключение. 126 Список литературы.

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 одно- или многофотонном поглощении света; активная 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 лазерно- индуцированной 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 тропо- и стратосферы.

Использование лидарного зондирования позволяет оперативно проводить измерение высотного распределения аэрозоля с достаточно высоким пространственно- временным 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 пространственно- временное разрешение.

Специфика поставленной задачи, требует разработки системы регистрации способной принимать слабые световые сигналы от высот 200м. до 40000м с пространственным разрешением не ниже 120м. Совершенно ясно, что регистрация сигналов обратного рассеяния с высот более 12000 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 200м до 40000м.

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 50м 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 200м до 40000м с минимальным пространственным разрешением 120м. 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 40км 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 2006г. по 2007г. 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 2006году.

Приведенные в диссертации технические разработки использовались при выполнении следующих грантов: грант РФФИ 07-05-13505-офиц "Исследование влияния климатообразующих факторов на состояние фотосинтетического аппарата клеток фитопланктона и процессов саморегуляции радиационно-активных компонентов фитопланктонными сообществами" грант РФФИ 06-05-96105-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-07028 "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. 2006г.

- 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 №47099 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 №53016 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 №57009 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 120м. 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 2006г.

1. Mezheris R. Лазерное дистанционное зондирование текст. // 1987г

2. Зуев В.Е Дистанционное оптическое зондирование атмосферы текст. / Зуев В.Е., Зуев В.В. // Гидрометеоиздат, 1992

3. Фальков Э.Я. Летающие лаборатории для дистанционного зондирования текст. // Пробл.экоинформатики.-М.,1994.-С.26-27.

4. Монин А. С. Оптика океана В 2-х т. [текст] // М. Наука 1983.

5. Крикун В.А. Многоканальный счетчик одноэлектронных импульсов с ФЭУ Текст. / Крикун В.А., Майор А.Ю., O.A. Букин // ГГГЭ. 2006. - № 3. -С. 163-164.

6. Нагорный И.Г, Майор А.Ю. Крикун В.А Многоканальные счетчики одноэлектронных импульсов // Электронный журнал "Исследовано в России" 2005г. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2005/088.pdf

7. Букин O.A. Счетчик фотонов Текст. : пат. 47099 Рос. Федерация : МПК7 G Ol J 1/44 / Крикун В.А., Майор А.Ю., Букин O.A. ; заявитель и патентообладатель ТОЙ ДВО РАН. № 2005109642/22 ; заявл. 04.04.2005 ; опубл. 10.08.2005, Бюл. № 22. - 5 с.

8. Mayor, A.Yu. Multi-channel photon counter Text. / Mayor A.Yu., Krikun V.A., Pavlov A.N., Bukin O.A. // XIII International Symposium. Atmospheric and Ocean optics. Tomsk, July 2-7, 2006. 2006. - P. 155.

9. Hong С., Kim Y., Iwasaka Y., Kim Y., Multi Channel Lidar Observation of Aerosol Backscatter Ration at Kosan, Jeju, Korea during the Spring of 2001 текст. / Hong С., Kim Y., Iwasaka Y., Kim Y., // American Geophysical Union, Fall Meeting 2001

10. Глушков С.М Лазерные спектрометры для диагностики оптических примесей в природных водах текст. / Глушков С.М., Фадеев В.В., Чубаров В.В. // Оптика атмосферы и океана Том 7, с.464-474, апрель 1994 г.

11. Клышко Д.Н. Дистанционное определение концентрации примесей в воде методом лазерной спектроскопии с калибровкой по128комбинационному рассеянию текст. / Клышко Д.Н., Фадеев В.В. // Доклады АН СССР, 1978, т.238, N 2, с. 320 323.

12. Аброскин А.Г. Определение концентрации эмульгированно-растворенных в воде нефтей методом лазерной флуориметрии.текст. / Аброскин А.Г., Нольде С.Е., Фадеев В.В., Чубаров В.В // Доклады АН СССР, 1988, т.302, N 2, с. 345 349.

13. Аброскин А.Г. Количественная дистанционная диагностика нефтяных загрязнений в объеме воды. / Аброскин А.Г., Нольде С.Е., Фадеев В.В. // Оптика атмосферы, 1988, т.1, N 11, с. 99 103.

14. Букин О. А. Использование спектроскопии лазерной искры для анализа элементного состава водных сред текст. / Букин О. А., Павлов А. Н., Сушилов Н. В., Эдуардов С. Л. // Журнал Прикладной Спектроскопии, т. 52. №5. 1990. с. 736-738

15. Власов Д.В. Дистанционный элементный анализ состава морской воды по эмиссионному спектру лазерной плазмы Текст. / Власов Д.В., Прохоров A.M., Ципенюк Д.Ю., Букреев B.C. // Оптика атмосферы и океана. 1991. - Т. 4, № 4. - С. 445-446

16. Прохоров А.М. Исследование возможности дистанционного определения содержания железа в морской воде по эмиссионному спектру лазерного129пробоя Текст. / Прохоров A.M., Власов Д.В., Ципенюк Д.Ю., Букреев B.C. // ЖПС. 1991. - Т. 55, № 2. - С. 313-314.

17. Darecki, M. SeaWiFS ocean colour chlorophyll algorithms for the southern Baltic Sea текст. / Darecki, M.; Kaczmarek, S.; Olszewski, J. // International Journal of Remote Sensing, Volume 26, Number 2, January 2005 , pp. 247-260

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

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

20. Govindjee, Chlorophyll В fluorescence and an emission band at 700 nm at room temperature in green algae Text. / Govindjee, Briantais JM. // FEBS Letters. -1972. V. 19, № 4. - P. 278-280.

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

22. Uno I. Numerical study of Asian dust transport during the springtime of 2001 simulated with the Chemical Weather Forecasting System (CFORS)

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

24. Ганзей JI.А. Состав материала пыльных бурь на юге дальнего востока / Ганзей JI.A., Разжигаева Н.Г. текст. // Литология и полезные ископаемые, 2006 №3 с.242-249

25. Майор А.Ю., Букин О.А. Павлов А.Н., Крикун В.А. Судовой лазерный проточный флуориметр текст. // Патент на полезную модель №53016 зарегистрированный в реестре полезных моделей РФ.03.апр.2006

26. А.Ю.Майор О.А.Букин, В.А.Крикун, Е.Н. Бауло, И.А. Ластовская. Компактный судовой проточный флуориметр текст. // Журнал "Оптика атмосферы и Океана" том.20 г.2007 №3 с.283-285.

27. Майор А.Ю Букин О.А., Крикун В.А, Судовой лазерный проточный флуориметр текст. // Электронный журнал "Исследовано в России"2006г. ttp://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2006/091 .pdf1. J)

28. Майор А.Ю., Павлов А.Н., Букин О.А., Крикун В.А. Компактный судовой флуориметр текст. // Тезисы докладов. Конференция "Оптика атмосферы и океана. Физика атмосферы", г. Томск. 2006г. с.155Физика атмосферы", г. Томск. 2006г.

29. Аксененко М.Д. Справочник. Приемники оптического излучения текст. /Аксененко М.Д., Баранчиков М.Л // Москва, 1987

30. Шлифонтюк, Д.И. Амплитудный дискриминатор для счетного ФЭУ Текст. // ПТЭ. 1992. - №5. - С. 167-170.

31. Клышко Д.Н. Журнал. Успехи физических наук. Текст. / Клышко Д.Н., Пенин А.Н. // том 152 вып.4 1987. с.658-662

32. Фирозабари, М.М. Одноэлектронный режим фотоумножителей ФЭУ-130 и регистрация фотонов черенковского излучения Текст. / Фирозабари М.М., Ушаков В.И. // ПТЭ. 1999. - № 2. - С. 54-62.

33. Букин, О.А. Метод отбора фотоумножителей для регистрации слабых световых потоков Текст. / Букин О.А., Тяпкин В.А., Столярчук С.Ю. // ПТЭ. 1982.-№5.-С. 144-145.

34. Ветохин, С.С. Одноэлектронные фотоприемники Текст. / Ветохин С.С., Гулаков И.Р., Перцев А.Н., Резников И.В.- М.: Энергоатомиздат, 1986.- 161 с.

35. Григорьев, В.А. Электронные методы ядерно-физического эксперимента Текст. / Григорьев В.А., Колюбин А.А., Логинов В.А. М.: Энергоатомиздат, 1988. — 336 с.

36. Щелевой, К.Д. Быстродействующий дифференциальный дискриминатор-счётчик импульсов Текст. // ПТЭ. 1985. - № 3. - С. 105-107.

37. Казаков, Б.Н. Дифференцирующая RC-цепь в усилительном тракте системы счета фотонов Текст. / Казаков Б.Н., Михеев А.В., Матыгулин И.Г. // ПТЭ. -2005. 3. С. 42—45.

38. Гулаков И.Р., Счет фотонов лавинными фотодиодами Текст. /Гулаков И.Р., Шуневич С.А. // ж. Приборы и техника эксперимента 1987 №4, с.183-186

39. Леонтьев О.К. Атлантический океан / Под ред. О.К. Леонтьева. М.: Мысль, 1977.296 с.

40. Романкевич Е.А. Геохимия органического вещества в океане. М.: Наука, 1977. 256 с

41. Карабашев Г.С. Флуоресценция в океане. Л.: Гидрометеоиздат, 1987.200 с.5 5.Карнаухов В.Н. Спектральный анализ в клеточном мониторинге состояния окружающей среды. М.: Наука, 2004. 186 с.

42. Лакович, Дж. Основы флуоресцентной спектроскопии Текст. М.: Мир, 1986.-496 с.

43. Demidov A.A.,Chekaluk A.M.,Laphtenkova T.V., Fadeyev V.V. "Remote laser monitoring of organic components of seawater from the ship's side" Meteor.&Gidrol. 1988,6,62-70

44. Leonard D.A., Capito В., Hoge F.R. Remote sensing of subsurface mater temperature by Raman scattering // Appl. Opt., 1979, vol. 18, p. 1732-1745

45. Levis C.A., Swamer W.G., Prettyman H. An optical radar for airbom use over natural waters //NASA conference on use of lasers for hydrosphere, 1973, SP-375, p. 67-68.

46. Майор А.Ю. Букин O.A. Крикун B.A., Кульчин Ю.Н., Вознесенский С.С. "Погружной лазерный судовой спектрометр" // Патент на полезную модель №57009 Зарегестрировано в государственном реестре РФ. 27сент.2006г.

47. Маторин Д.Н., Казимирко Ю.В., Анкори Ф., Рубин А.Б. "Использование двухлучевого импульсного погружного флуориметра для биомониторинга фотосинтетической активности фитопланктона" http://www.library.biophys.msu.ru/gettext?Serial:=789

48. Майор А.Ю., Букин О.А., Павлов А.Н., Киселев В.Д." Судовой лазерный флуориметр для исследования спектров флуоресценции морской воды", Приборы и техника эксперимента, 2001.№4, с.151-154.

49. Майор А. Ю., Лазерные измерительные системы для мониторинга фитопланктонных сообществ и процессов влияющих на их состояние текст. // диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук Владивосток 2006

50. Щелевой К.Д., Применение процессоров DSP в счетчиках фотонов текст. /журнал "Приборы и техника эксперимента", 1997,№6,. с.62-65

51. ADSP2101-2115 datasheet Интернет ресурс./ Analog Devises Technical Information // http://www.analog.com/UploadedFiles/Data Sheets/ADSP-2101 2103 2105 2115.pdf

52. DLP-USB module Интернет ресурс. / FTDI Technical Information // www.alv.ru/FTDI/245/dlp-usb245ml2.pdf

53. Microchip PIC18F452 datasheet Интернет ресурс. /Microchip corporation Information librarv//http://www.microchip.ru:/d-sheets/39564.htm:picl 8f452: lxl

54. Г.Джонсон, М.Грехем Конструирование высокоскоростных цифровых устройств / Г.Джонсон, М.Грехем // Москва 2006г.

55. Шило B.JI. Популярные цифровые микросхемы: Справочник, текст. III Челябинск: Металлургия, Челябинское отделение, 1988. 352 е.: ил. 10

56. Зуев В.В лазерное зондирование средней атмосферы.текст. / В.В.Зуев, А.В.Ельников, В.Д.Бурлаков,// Томск, 2002г.-352с

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

58. Фадеев, В.В. Лазерная спектроскопия водных сред Текст.: Диссертация на соискание ученой степени доктора физико-математических наук. М.: МГУ, 1983.-455 с.

59. Рубин, А.Б. Биофизика Текст.: Учебник для высш. учеб. завед.: в 2 т. М.: Высш. шк., 1987. - 2 т.

60. ГОСТ 9411 91. Стекло оптическое цветное. Технические условия Текст.- М.: Издательство стандартов. 68 с.: ил

61. Гурин А.С. Оптоволоконный лазерный флуориметр Текст. / Кульчин Ю.Н., Вознесенский С.С., Гамаюнов Е.Л и др. // Труды XI конференции студентов, аспирантов и молодых ученых по физике полупроводниковых, диэлектрических и магнитных материалов

62. Estimation of the phytoplankton productivity and physiological state with the use of a submersible fluorometer probe Маторин Д.Н., Рубин А.Б. http://www.biophys.msu.ru/personal/konev/PrimProd/Refer/ TechSpecDescr.htm

63. Зуев, B.E. Перенос оптических сигналов в земной атмосфере (в условиях помех) Текст. / Зуев В.Е., Кабанов М.В. М.: Советское радио, 1977. -328 с

64. Fernald, F.G. Analysis of atmospheric LIDAR observations: some comments Text. // Appl. Opt. 1984. - vol. 23, N 5. - P. 652-653.

65. Klett, J. D. Lidar inversion with variable backscatter/extinction ratios Text. // Appl. Opt. 1985. - vol. 24, N 11. - P. 1638-1643

66. Smirko, K.A. Some results of the lidar sounding of aerosol carried out from continental areas of Chine in the atmosphere above Vladivostok Text. /

67. Smirko K.A, Pavlov A.N., Bukin O.A. // XIII International Symposium. Atmospheric and Ocean optics, Tomsk, July 2-7, 2006. 2006. - P. 116-117.

68. CALIPSO Cloud-Aerosol Lidar and Infrared Pathfinder Satellite Observation Electronic resource. / NASA; Curator: Daniel Mangosing. - Electronic data. -Mode of access : http://www-calipso.larc.nasa.gov/. - Title from screen.].

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

70. Guo, L. Dynamics of dissolved organic carbon (DOC) in oceanic environments / Guo L., Santchi P.H., Warnken K.W. // Limnology and Oceanography. -1995. V. 40, № 8. - P. 1392-1403.

71. Глушков, С.М. Лазерные спектрометры для диагностики органических примесей в природных водах Текст. / Глушков С.М., Фадеев В.В., Чу баров В.В. // Оптика океана и атмосферы.- 1994.- Т. 7, № 4.- С. 454-473.

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

73. Карабашев, Г.С. О соотношении интенсивности флуоресценции и концентрации растворенных органических веществ в водах океана Текст. / Карабашев Г.С., Агатова А.И. // Океанология 1984.- Т. 24, № 6.- С. 906909.

74. Chen, R.F. In situ fluorescence measurements in coastal waters Text. // Organic Geochemistry. 1999. - № 30. - P. 397-409.

75. Colao F., Fantoni R., Palucci A., Ribezzo S. // Int. Journal of remote sensing. -2001. V.22, # 2,3. - P. 369 - 384.

76. Yentsch, C.S. Fluorescent spectral signatures: The characterization of phytoplankton populations by the use of excitation and emission spectra Text. / Yentsch C.S., Yentsch C.M. // J. Mar. Res. 1979. - V.37. - P. 471-483.

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

78. Фадеев, В.В. Применение лазерной спектроскопии для определения пигментов морского фитопланктона Текст. / Фадеев В.В., Демидов А.А., Кпыпжо Д.Н., Кобленц-Мишке О.И., Фортус В.М. // Труды института океанологии. -1980. Т. 90. - С. 219-234.

79. Lim, Jae S. Two-Dimensional Signal and Image Processing Text. // Englewood Cliffs. NJ, Prentice Hall, 1990. - P. 469-476.

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

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

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

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

84. Hilton J., Rigg E., Jaworski G. Algal identification using in vivo fluorescence spectra // J. Plankton Res. 1989. V.l 1. P.65-74.

85. Салюк П.А. корреляционные соотношения биооптических компонент спектров лазерной индуцированной флуоресценции морской воды текст. // диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук Владивосток 2005

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

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

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

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

90. Hofmann D.J. On the prolonged lifetime of the El Chichon sulfuric acid aerosol cloud текст. / Hofmann D.J., Rosen J.M. // J. Geophys. Res. 1987. V. 92. № D8. P. 9825-9830.

91. Stone R.S. Properties and decay of stratospheric aerosols in the Arctic following the 1991 eruptions of Mount Pinatubo текст. / Stone R.S., Key J.R., Dutton E.G. // Geophys. Res. Lett. 1993. V. 20. № 21. P. 2359-2362.

92. Williams J Application of the variability-size relationship to atmospheric aerosol studies: estimating aerosol lifetimes and ages текст. / Williams J., Reus M., Krejci R., Fischer H // Atmos. Chem. Phys. Discuss. 2002. V. 2. № 1. P. 43-74.

93. Subba Rao D.V Dust Affects Phytoplankton in the Waters off Kuwait, the Arabian Gulf текст. / Subba Rao D.V., Al-Yaman F., Nageswara Rao C.V. Eolian // Naturwissenschaften. 1999. V. 86. № 11. P. 525-529.

94. Walsh J.J. Saharan dust and Florida red tides: the cyanophyte connection / Walsh J.J., Steidinger K.A. // J. Geophys. Res. 2001. V. 106. № C6. P. 1159711612.ч

95. Bishop J.K.B Robotic observations of dust storm enhancement of carb^ biomass in the North Pacific текст. / Bishop J.K.B., Davis R.E., Sherman J.T.4 // Science. 2002. V. 298. № 5594. P. 817-821.

96. Coale K.H A massive phytoplankton bloom induced by an ecosystem-scale iron fertilization experiment in the equatorial Pacific Ocean текст. / Coale K.H., Johnson, K.S., Fitzwater S.E., et al // Nature. 1996. V. 383. № 6600. P. 495-501.

97. Boyd P.W A mesoscale phytoplankton bloom in the polar Southern Ocean stimulated by iron fertilization текст. / Boyd P.W., Watson A.J., Law C.S. et al. //Nature. 2000. V. 407. № 6805. P. 695-702.

98. Modis Aqua Интернет ресурс. http://modis.gsfc.nasa.gov/

99. Сервер погоды Интернет ресурс. http://weather.uwyo.edu/upperair/sounding.html

100. Marenco F. Optical properties of tropospheric aerosols determined by lidar and spectrophotometric measurements / Marenco F., Santacesaria V., Bais A.F. et al. // Appl. Opt. 1997. V. 36. № 27. P. 6875-6886.

101. Lin I New evidence for enhanced ocean primary production triggered by tropical cyclone текст. / Lin I., Liu W.T., Wu C.C., et al. // Geophys. Res. Lett. 2003. V. 30. № 13. P. 1718. /