stringtranslate.com

Океаническая оптика

Свойства частиц, таких как эта отдельная частица детрита, определяют, как они поглощают и рассеивают свет.

Океаническая оптика изучает взаимодействие света с водой и материалами в воде. Хотя исследования часто фокусируются на море, эта область в целом включает реки, озера, внутренние воды, прибрежные воды и крупные океанические бассейны. То, как свет действует в воде, имеет решающее значение для функционирования экосистем под водой. Знание океанической оптики необходимо в исследованиях водного дистанционного зондирования , чтобы понять, какую информацию можно извлечь из цвета воды , как она выглядит со спутниковых датчиков в космосе. Цвет воды, видимый со спутников, известен как цвет океана . Хотя цвет океана является ключевой темой океанической оптики, оптика — это более широкий термин, который также включает разработку подводных датчиков, использующих оптические методы для изучения гораздо большего, чем просто цвета, включая химию океана, размер частиц, визуализацию микроскопических растений и животных и многое другое.

Ключевая терминология

Оптически глубокий

Там, где воды «оптически глубокие», дно не отражает входящий солнечный свет, и морское дно не может быть видно ни людям, ни спутникам. [1] Подавляющее большинство мировых океанов по площади являются оптически глубокими. Оптически глубокие воды могут быть относительно мелкими с точки зрения общей физической глубины, пока вода очень мутная, например, в эстуариях.

Оптически мелкий

Там, где вода «оптически мелкая», дно отражает свет и часто может быть видно людям и спутникам. [2] Здесь оптика океана также может использоваться для изучения того, что находится под водой. На основе того, каким цветом они кажутся датчикам, исследователи могут картировать типы местообитаний, включая макроводоросли, кораллы, водорослевые слои и многое другое. Картографирование мелководных сред требует знания оптики океана, поскольку цвет воды должен учитываться при рассмотрении цвета среды морского дна ниже.

Собственные оптические свойства (IOP)

Спутниковый снимок Sentinel-2 слияния рек Риу-Негру и Солимойнс в Бразилии. Темная вода Риу-Негру богата растворенными веществами (высокое поглощение ), а более яркая коричневая вода реки Солимойнс богата осадками (высокое рассеивание ). Свойства этих двух типов воды можно изучать с помощью методов, являющихся центральными в области оптики океана.

Внутренние оптические свойства (ВОП) зависят от того, что находится в воде. Эти свойства остаются неизменными независимо от того, что делает входящий свет (днем или ночью, под низким или высоким углом падения солнца). [3]

Поглощение

Вода с большим количеством растворенных веществ, например, озера с большим количеством окрашенного растворенного органического вещества ( CDOM ), испытывают высокое поглощение света. Фитопланктон и другие частицы также поглощают свет. [4]

Рассеивание подразумевает, как свет отражается во многих направлениях объектами, такими как очень мелкие частицы в океане. Измерение рассеяния света включало измерение света, идущего под разными углами.

Рассеивание

Районы с морским льдом, эстуарии с большим количеством взвешенных отложений и озера с большим количеством ледниковой муки являются примерами водоемов с высоким рассеянием света. Все частицы рассеивают свет в той или иной степени, включая планктон, минералы и детрит. Размер частиц влияет на то, насколько сильно рассеивается свет в разных цветах; например, очень маленькие частицы экспоненциально рассеивают свет больше в синих цветах, чем в других цветах, поэтому океан и небо, как правило, синие (так называемое рэлеевское рассеяние ). Без рассеяния свет не «уходил» бы никуда (за пределами прямого луча от солнца или другого источника), и мы не смогли бы видеть мир вокруг нас. [5]

Затухание

Затухание в воде, также называемое затуханием луча или коэффициентом затухания луча , является суммой всех поглощений и рассеяний. Затухание светового луча в одном определенном направлении можно измерить с помощью прибора, называемого трансмиссометром. [6]

Видимые оптические свойства (AOP)

Видимые оптические свойства (AOP) зависят от того, что находится в воде (IOP) и что происходит с входящим светом от Солнца. AOP зависят сильнее всего от IOP и лишь немного зависят от входящего света, также известного как «световое поле». Характеристики светового поля, которые могут повлиять на измерения AOP, включают угол, под которым свет падает на поверхность воды (высоко в небе или низко в небе, и с какого направления по компасу), а также погодные условия и состояние неба (облака, атмосферная дымка, туман или состояние моря, также известное как шероховатость поверхности воды). [7]

Дистанционное зондирование отражения (Rrs)

Дистанционное зондирование отражения (Rrs) является мерой света, излучаемого из-под поверхности океана во всех цветах, нормализованного по входящему солнечному свету во всех цветах. Поскольку Rrs является отношением, оно немного менее чувствительно к тому, что происходит со световым полем (например, угол солнца или атмосферная дымка). [8]

Rrs измеряется с помощью двух парных спектрорадиометров, которые одновременно измеряют свет, поступающий с неба, и свет, поступающий из воды снизу на многих длинах волн. Поскольку это измерение отношения свет-свет, единицы энергии сокращаются, и Rrs имеет единицы измерения в стерадиан (ср-1) из-за углового характера измерения (восходящий свет измеряется под определенным углом, а входящий свет измеряется на плоской плоскости из полусферической области над поверхностью воды). [9]

Коэффициент ослабления света (К д )

K d — это диффузный (или нисходящий) коэффициент ослабления света (K d ), также называемый просто ослаблением света , вертикальным коэффициентом затухания или коэффициентом затухания . [10] K d описывает скорость уменьшения света с глубиной в воде в единицах на метр (м −1 ). «D» обозначает нисходящий свет, который представляет собой свет, идущий сверху датчика в полусферической форме (или половине баскетбольного мяча). Ученые иногда используют K d для описания уменьшения общего видимого света, доступного для растений, в терминах фотосинтетически активного излучения (ФАР) — называемого «K d (ФАР)». В других случаях K d может описывать уменьшение света с глубиной по спектру цветов или длин волн, обычно записываемое как «K d (λ)». При одном цвете (одной длине волны) Kd может описывать уменьшение света с глубиной одного цвета, например, уменьшение синего света при длине волны 490 нм, записанное как «Kd ( 490)».

В общем случае K d рассчитывается с использованием закона Бера и серии измерений света, собранных непосредственно под поверхностью воды на многих глубинах. [11] [12]

Закрытие

«Закрытие» относится к тому, как оптические океанографы измеряют согласованность моделей и измерений. Модели относятся ко всему, что явно не измеряется в воде, включая спутниковые переменные, которые оцениваются с использованием эмпирических соотношений (например, спутниковая концентрация хлорофилла-а оценивается из соотношений между зеленой и синей отражательной способностью дистанционного зондирования с использованием эмпирического соотношения). Закрытие включает закрытие измерений, закрытие модели, закрытие модели-данных и закрытие масштаба. Если эксперименты по закрытию модели-данных показывают несоответствие между данными и моделями, причиной несоответствия может быть ошибка измерения , проблемы с моделью, и то, и другое или какой-либо другой внешний фактор. [13] [14]

Области фокусировки

Океаническая оптика применялась для изучения таких тем, как первичная продукция , фитопланктон , зоопланктон , [15] [16] мелководные местообитания, такие как заросли морской травы и коралловые рифы , [17] [18] морская биогеохимия , [19] нагревание верхних слоев океана, [20] и экспорт углерода в глубокие воды посредством биологического насоса океана . [21] Часть электромагнитного спектра, обычно используемая в океанической оптике, находится в ультрафиолетовом и инфракрасном диапазонах, с длинами волн от около 300 нм до менее 2000 нм. [22]

Распространенные оптические датчики, используемые в океанографии

Пакет инструментов для отбора проб с розеткой проводимости-температуры-глубины (CTD-розеткой), готовый к развертыванию. Датчики PAR часто крепятся к верхней круглой перекладине пакета оборудования. Оптические датчики, такие как флуорометры и трансмиссометры, часто крепятся к нижней части пакета оборудования, под бутылками Нискина , на том же уровне, что и датчик CTD (светло-зеленый цилиндр, едва видимый в нижней части этого изображения).

Наиболее широко используемые оптические океанографические датчики - это датчики PAR , датчики флуоресценции хлорофилла-а ( флуориметры ) и трансмиссометры. Эти три прибора часто устанавливаются на пробоотборниках CTD (проводимость-температура-глубина)-розеток . Эти приборы использовались в течение многих лет на CTD-розетках в глобальных повторных океанографических исследованиях, таких как кампания CLIVAR GO-SHIP. [23] [24]

Размер частиц в океане

Оптические приборы часто используются для измерения спектра размеров частиц в океане. Например, размеры организмов фитопланктона могут варьироваться от нескольких микрометров (мкм) до сотен микрометров. Размер частиц часто измеряется для оценки того, насколько быстро частицы будут тонуть, и, следовательно, насколько эффективно растения могут поглощать углерод в биологическом насосе океана .

Визуализация частиц и организмов океана

Исследователи готовят Imaging FlowCytoBot (IFCB) для отбора проб воды.
Ученые стоят рядом с Imaging FlowCytoBot (IFCB).

Ученые изучают отдельные крошечные объекты, такие как планктон и частицы детрита, с помощью проточной цитометрии и систем камер in situ. Проточные цитометры измеряют размеры и фотографируют отдельные частицы, протекающие через систему трубок; одним из таких инструментов является Imaging FlowCytoBot (IFCB). [26] Системы камер in situ размещаются на борту исследовательского судна, отдельно или прикрепленные к другому оборудованию, и делают фотографии самой воды, чтобы получить изображение частиц, присутствующих в воде; одним из таких инструментов является Underwater Vision Profiler (UVP). [27] Другие технологии визуализации, используемые в океане, включают голографию [28] и велосиметрию с визуализацией частиц (PIV), которая использует 3D-видеоматериалы для отслеживания движения подводных частиц. [29]

Исследования в поддержку спутникового дистанционного зондирования

Дистанционное зондирование цвета океана включает изучение океана на основе его цвета, наблюдаемого спутниковыми датчиками. Свет, достигающий спутникового датчика, начинается как входящий свет от Солнца, затем рассеивается и поглощается атмосферой и поверхностью Земли, включая воду на поверхности. Точные измерения цвета океана зависят от точных измерений оптических свойств воды.

Исследования оптики океана, проводимые « in situ » (с исследовательских судов , небольших лодок или в доках и пирсах), поддерживают исследования, использующие спутниковые данные. Оптические измерения in situ предоставляют возможность: 1) калибровать спутниковые датчики, когда они только начинают собирать данные, 2) разрабатывать алгоритмы для получения продуктов или переменных, таких как концентрация хлорофилла-а, и 3) проверять продукты данных, полученные со спутников. Используя спутниковые данные, исследователи оценивают такие вещи, как размер частиц, углерод, качество воды , прозрачность воды и тип дна на основе цветового профиля, видимого со спутника; все эти оценки (они же модели) должны быть проверены путем сравнения их с оптическими измерениями, сделанными in situ. [30] Данные in situ часто доступны из общедоступных библиотек данных, таких как архив данных SeaBASS .

Исследователь готовит фильтрующую установку на борту исследовательского судна. Некоторые оптические свойства воды, такие как поглощение частицами, измеряются путем фильтрации воды и измерения цветовой сигнатуры материала на фильтре.
Визуализация глобальной растительной жизни, полученной со спутника, как океанической (мг м −3 хлорофилла-а), так и наземной ( нормализованный индекс разницы растительности суши ), предоставленная проектом SeaWiFS, Центр космических полетов имени Годдарда НАСА. Область оптики океана включает методы, которые помогают исследователям оценивать концентрации хлорофилла-а в океане.
Схема процессов, которые необходимо измерить для полного понимания продуктивности океана и секвестрации углерода. Многие из этих тем связаны с оптическими измерениями.

Основные ученые, внесшие вклад

Океанографы, физики и другие ученые, внесшие значительный вклад в область оптики океана, включают (неполный список):

Дэвид Антуан, Марсель Бабен, Паула Бонтемпи , Эммануэль Босс, Анник Брико, Кендалл Кардер, Ивона Цетинич, Эдвард Фрай, Хайди Дирсен, Дэвид Доксаран, Джин Карл Фельдман, Ховард Гордон, Чуанмин Ху, Нильс Гуннар Джерлов , Джордж Каттавар, Джон Кирк, ЧжунПин Ли, Юбер Луазель, Стефан Мариторена, Майкл Мищенко, Кертис Мобли, Брюс Монгер, Андре Морель, Майкл Моррис , Норм Нельсон, Мэри Джейн Перри , Рудольф Прейзендорфер, Луи Приер, Чандрасекхара Раман, Коллин Рослер , Рюдигер Реттгерс, Дэвид Сигел, Рэймонд Смит, Хайди Сосик , Дариуш Страмски, Майкл Твардовский , Талбот Уотерман, Джереми Верделл, Кен Восс, Чарльз Йенч и Рональд Заневельд.

Образование

Хотя оптика океана является междисциплинарной областью изучения, применимой к широкому кругу тем, она не часто преподается как курс в аспирантских программах по морской науке и океанографии. Были разработаны два летних курса для аспирантов из многих различных учреждений. Во-первых, есть летняя серия лекций, проводимая Международной группой по координации цвета океана (IOCCG), которая обычно проходит во Франции. [31] Во-вторых, есть действующий курс в Соединенных Штатах под названием «Класс оптической океанографии» или «Класс океанической оптики» в штате Вашингтон, а затем в штате Мэн, который проводится непрерывно с 1985 года . [32]

Для самостоятельного обучения Курт Мобли, Колин Реслер и Эммануэль Босс написали веб-книгу Ocean Optics Web Book в виде открытого онлайн-руководства.

Смотрите также

Связанные области и темы:

Внутренние и кажущиеся оптические свойства и методы исследования в воде:

Дистанционное зондирование и радиометрические методы:

Ссылки

  1. ^ Армстронг, РА; Сингх, Х.; Риверо, С.; Гилбес, Ф. (2008). «Мониторинг коралловых рифов в оптически глубоких водах». Труды 11-го Международного симпозиума по коралловым рифам, Форт-Лодердейл, Флорида. Номер сессии 17. CiteSeerX  10.1.1.545.7429 .
  2. ^ МакКинна, Лаклан И.В.; Верделл, П. Джереми (2019). «Подход к идентификации оптически мелких пикселей при обработке изображений цвета океана». Optics Express . 26 (22): A915–A928. doi :10.1364/OE.26.00A915. PMC 6506854. PMID  30469992 . 
  3. ^ Mobley, Curtis (19 мая 2021 г.). "Inherent Optical Properties. Ocean Optics Web Book" . Получено 23 августа 2021 г.
  4. ^ Реслер, Коллин (6 апреля 2021 г.). «Обзор поглощения. Веб-книга Ocean Optics» . Получено 24 августа 2021 г.
  5. ^ Mobley, Curtis; Boss, Emmanuel (18 мая 2021 г.). "Обзор рассеяния. Веб-книга Ocean Optics" . Получено 24 августа 2021 г.
  6. ^ Mobley, Curtis (19 мая 2021 г.). "Измерение ВГД. Веб-книга Ocean Optics" . Получено 24 августа 2021 г.
  7. ^ Mobley, Curtis (27 октября 2020 г.). «Видимые оптические свойства. Веб-книга Ocean Optics» . Получено 24 августа 2021 г.
  8. ^ "Remote Sensing Reflectance (Rrs)". NASA Ocean Color . Получено 24 августа 2021 г.
  9. ^ Mobley, Curtis (28 октября 2020 г.). "Reflections. Ocean Optics Web Book" . Получено 24 августа 2021 г.
  10. ^ "Свет". Понимание: Основы экологии озер . Вода в сети. 31 января 2011 г. Получено 24 августа 2021 г.
  11. ^ Шульц, К. Л. "Свет в озерах". Лекция по лимнологии . Получено 24 августа 2021 г.
  12. ^ Кирк, Джон ТО (1994). Свет и фотосинтез в водных экосистемах (3-е изд.). Cambridge University Press. ISBN 0521459664.
  13. ^ Маккормик, Норман; Мобли, Кертис (22 марта 2021 г.). «Краткие определения. Веб-книга Ocean Optics» . Получено 24 августа 2021 г.
  14. ^ Чанг, Грейс К.; Дики, Томми Д.; Мобли, Кертис Д.; Босс, Эммануэль; Пегау, В. Скотт (2003). «К закрытию восходящего излучения в прибрежных водах». Прикладная оптика . 42 (9): 1574–1582. Bibcode : 2003ApOpt..42.1574C. doi : 10.1364/AO.42.001574. PMID  12665088.
  15. ^ Беренфельд, Майкл Дж.; и др. (2019). «Глобальные ежедневные вертикальные миграции океанических животных, наблюдаемые со спутника». Nature . 576 (7786): 257–261. doi :10.1038/s41586-019-1796-9. PMID  31776517. S2CID  208329129.
  16. ^ Пичерал, Марк; Гвиди, Лионель; Стемманн, Ларс; Карл, Дэвид М.; Иддауд, Жизлен; Горски, Габриэль (2010). «Профилировщик Underwater Vision 5: усовершенствованный инструмент для исследований с высоким пространственным разрешением спектров размеров частиц и зоопланктона». Лимнология и океанография: Методы . 8 (9): 462–473. doi : 10.4319/lom.2010.8.462 . S2CID  13671970.
  17. ^ Циммерман, Р. К.; Деккер, АГ (2007). Водная оптика: основные концепции для понимания того, как свет влияет на морские травы и делает их измеримыми из космоса. В: Морские травы: биология, экология и сохранение. Дордрехт: Springer. doi :10.1007/978-1-4020-2983-7_12.
  18. ^ Хохберг, Э. Дж.; Аткинсон, М. Дж. (2000). «Спектральная дискриминация бентосных сообществ коралловых рифов». Коралловые рифы . 19 (2): 164–171. doi :10.1007/s003380000087. S2CID  34304562.
  19. ^ Organelli, Emanuele; et al. (2017). «Две базы данных, полученные из измерений поплавков BGC-Argo для морских биогеохимических и биооптических приложений». Earth System Science Data . 9 (2): 861–880. Bibcode : 2017ESSD....9..861O. doi : 10.5194/essd-9-861-2017 . S2CID  21668439.
  20. ^ Ошлис, Андреас (2004). "Обратные связи биотически вызванного радиационного нагрева с тепловым балансом верхнего слоя океана, циркуляцией и биологической продукцией в сопряженной модели экосистемной циркуляции" (PDF) . Журнал геофизических исследований: Океаны . 109 (C12). Bibcode : 2004JGRC..10912031O. doi : 10.1029/2004JC002430.
  21. ^ Stemmann, L.; Boss, Emmanuel (2012). «Планктон и размер частиц и упаковка: от определения оптических свойств до управления биологическим насосом». Annual Review of Marine Science . 4 : 263–290. Bibcode :2012ARMS....4..263S. doi :10.1146/annurev-marine-120710-100853. PMID  22457976.
  22. ^ Mobley, Curtis (2021). "Цвет океана. Веб-книга Ocean Optics" . Получено 21 августа 2021 г.
  23. ^ Дики, Томми Д. (1991). «Появление одновременных физических и биооптических измерений высокого разрешения в верхнем слое океана и их применение». Обзоры геофизики . 29 (3): 383–413. Bibcode : 1991RvGeo..29..383D. doi : 10.1029/91rg00578.
  24. ^ Boss, Emmanuel; et al. (2015). «Оптические методы для дистанционной и локальной характеристики частиц, относящихся к GEOTRACES». Progress in Oceanography . 133 : 43–54. Bibcode :2015PrOce.133...43B. doi :10.1016/j.pocean.2014.09.007. S2CID  51780423.
  25. ^ Дэвис, Эмлин Дж.; Базедов, Саннье Л.; Макки, Дэвид (2021). «Скрытое влияние крупных частиц на цвет океана». Scientific Reports . 11 (1): 3999. Bibcode :2021NatSR..11.3999D. doi :10.1038/s41598-021-83610-5. hdl : 10037/21472 . PMC 7889869 . PMID  33597642. 
  26. ^ Олсон, Роберт Дж.; Сосик, Хайди М. (2007). «Погружной прибор для визуализации в потоке для анализа нано- и микропланктона: Imaging FlowCytobot». Лимнология и океанография: Методы . 5 (6): 195–203. doi :10.4319/lom.2007.5.195. S2CID  83979355.
  27. ^ Пичерал, Марк; Гвиди, Лионель; Стемманн, Ларс; Карл, Дэвид М.; Иддауд, Жизлен; Горски, Габриэль (2010). «Профилировщик Underwater Vision 5: усовершенствованный инструмент для исследований с высоким пространственным разрешением спектров размеров частиц и зоопланктона». Лимнология и океанография: Методы . 8 (9): 462–473. doi : 10.4319/lom.2010.8.462 . S2CID  13671970.
  28. ^ Наяк, Адитья Р.; и др. (2021). «Обзор голографии в водных науках: характеристика частиц, планктона и мелкомасштабных биофизических взаимодействий на месте». Frontiers in Marine Science . 7 . doi : 10.3389/fmars.2020.572147 .
  29. ^ "Deep Particle Image Velocimetry". Научно-исследовательский институт аквариума залива Монтерей (MBARI) . 2017. Получено 24 августа 2021 г.
  30. ^ Маскаренас, Велоиса; Кек, Тереза ​​(2018). Юнгблут, С.; Либих, В.; Боде, М. (ред.). «Морская оптика и дистанционное зондирование цвета океана (конференция)». YOUMARES 8 – Океаны через границы: учимся друг у друга : 41–54. doi : 10.1007/978-3-319-93284-2_4 .
  31. ^ "2022 IOCCG Summer Lecture Series". Frontiers in Ocean Optics and Ocean Color Science . 2021. Получено 24 августа 2021 г.
  32. ^ Перри, Мэри Джейн (2016). «SIDEBAR. Классу оптической океанографии исполнилось 30 лет летом 2015 года». Океанография . 29 (1): 32–33. doi : 10.5670/oceanog.2016.07 .

Дальнейшее чтение

  1. ^ Кирк, Джон ТО (1994). Свет и фотосинтез в водных экосистемах (3-е изд.). Cambridge University Press. ISBN 0521459664.
  2. ^ Preisendorfer, Rudolph W. (1976). Гидрологическая оптика (6 томов) (PDF) . Министерство торговли США, Национальное управление океанических и атмосферных исследований, Лаборатории исследований окружающей среды, Тихоокеанская морская экологическая лаборатория.